可編程集成光電子技術(shù)在量子系統(tǒng)中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言量子信息處理有望改變計算、通信和傳感領(lǐng)域。然而，實現(xiàn)大規(guī)模量子系統(tǒng)仍面臨挑戰(zhàn)，主要是由于需要維持量子相干性。集成光電子技術(shù)通過將光電子元件微型化到芯片上，為實現(xiàn)可擴(kuò)展的量子處理器提供了平臺。本文概述了可編程集成光電子技術(shù)在量子應(yīng)用中的應(yīng)用，涵蓋了關(guān)鍵構(gòu)建模塊和實驗演示。
可編程光量子處理器的架構(gòu)可編程光量子處理器通常由以下主要組件組成，如圖1所示：

量子光源，用于生成輸入光子態(tài)

選擇性濾波器，用于去除泵浦光  

可編程線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)幺正變換

單光子探測器，用于測量輸出態(tài)

用于編程和反饋的經(jīng)典控制電子線路[/ol]


圖1
處理器的核心是可編程線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，可以使用多端口干涉儀或可重構(gòu)波導(dǎo)網(wǎng)格線路來實現(xiàn)。這允許對輸入量子態(tài)應(yīng)用任意幺正變換。
關(guān)鍵構(gòu)建模塊量子光源：片上量子光源通�；�于硅波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻（SFWM）。非簡并和簡并SFWM都可用于生成相關(guān)光子對，如圖2所示。
+ W+ a) Z) v- e  y' B& y8 f; i+ R) z
圖2
8 |0 [6 E2 t8 q6 ~( e演示了各種集成光源設(shè)計，包括直線和螺旋納米線、環(huán)形諧振器和光子晶體波導(dǎo)（圖3）。
0 Y5 d) q( K& F* H  J
圖3

表1比較了不同光源架構(gòu)的性能。
3 i% `/ O7 Y7 a6 i* n' S

3 P7 N. |( q1 m表1
選擇性濾波器：在光子對生成后，需要高消光比（>100 dB）濾波器來抑制強(qiáng)泵浦光。集成濾波器設(shè)計包括級聯(lián)格型濾波器、布拉格反射器和環(huán)形諧振器。圖4顯示了一個結(jié)合光子生成和濾波的硅基光電子芯片示例。
& o  c7 c# i( u" ~  f1 ]! x
圖4
可編程線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)：幺正變換核心可以使用由級聯(lián)馬赫-曾德干涉儀（MZI）組成的三角形或矩形多端口干涉儀架構(gòu)來實現(xiàn)。圖5顯示了硅基光電子和silica-on-silicon中大規(guī)�？删幊谈缮鎯x的示例。
2 g. z7 W, I& J0 A5 j! a" s4 Y
圖5
另外，可重構(gòu)波導(dǎo)網(wǎng)格線路可以通過適當(dāng)?shù)木幊虂砟�擬任意干涉儀拓?fù)�。圖6演示了六邊形網(wǎng)格如何實現(xiàn)各種4x4幺正變換。
0 G3 ^. Y9 _8 x* e
圖6
8 v, L2 x+ Y, F, ]" {6 W1 C3 @單光子探測器：超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）通常用于片上探測電信波長的光子。最近的工作已經(jīng)演示了將SNSPD直接集成在硅波導(dǎo)上。
量子信息處理演示線性光學(xué)量子門：可編程線路能夠?qū)崿F(xiàn)各種量子邏輯門。圖7顯示了使用硅-二氧化硅芯片實現(xiàn)的預(yù)報CNOT門和貝爾態(tài)生成器的實驗演示。
0 {0 N  d- A7 v9 l: i
圖7
. d& j- I  C/ U* ]8 w# e9 h圖8展示了大規(guī)模硅基光電子處理器通過算子的線性組合實現(xiàn)任意雙量子比特門的結(jié)果。
& e, D( d# b# p/ Q
. c7 v( L& {) f# g圖8
量子傳輸模擬：可編程光電子線路允許研究靜態(tài)和動態(tài)無序下的量子傳輸現(xiàn)象。圖9顯示了使用硅芯片探索具有可控?zé)o序的量子行走的實驗。
8 I4 p* p/ r; ~* Q
圖9
! i7 `3 G! p, K玻色子采樣：玻色子采樣是一種被認(rèn)為對經(jīng)典計算機(jī)來說很難但可以使用光子的量子干涉有效求解的計算任務(wù)。圖10顯示了三維集成玻色子采樣芯片的結(jié)果，而圖11展示了使用平面光波線路的實驗。

4 l( Q4 U6 h% m/ @+ t. [- T) S  E8 G% u: L圖10
5 M5 I! m% Q& E: d5 r% }) R% y, k
5 _: w# d6 C( p圖11
0 z) G: ]" o8 n' U* E! U) o復(fù)雜阿達(dá)瑪變換：可編程線路可以實現(xiàn)復(fù)雜的阿達(dá)瑪變換，如量子傅里葉變換，這對各種量子算法很重要。
挑戰(zhàn)和展望可編程集成光量子技術(shù)取得了重大進(jìn)展，但仍然存在幾個挑戰(zhàn)：

減少光學(xué)損耗以實現(xiàn)更大規(guī)模的線路

提高片上量子光源的效率和不可分辨性

集成低暗計數(shù)的高性能探測器

為大規(guī)模系統(tǒng)開發(fā)穩(wěn)健的封裝和控制電子線路[/ol]
克服這些障礙對于實現(xiàn)基于集成光電子技術(shù)的實用量子信息處理器很重要。在近期，可編程光電子線路可能會在量子模擬實驗和特殊計算任務(wù)（如玻色子采樣）中找到應(yīng)用。
$ F7 i2 k9 q, D( l0 O, L) P; Q隨著技術(shù)的成熟，可以期待在硅基光電子技術(shù)中實現(xiàn)更復(fù)雜的量子算法和錯誤糾正的邏輯量子比特的演示�？删幊坦怆娮犹幚砥魈峁┑目删幊绦院涂芍貥�(gòu)性將是關(guān)鍵優(yōu)勢，允許使用相同的硬件用于不同的量子信息處理任務(wù)。
結(jié)論可編程集成光電子技術(shù)為實現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理器提供了有前景的平臺。在芯片上實現(xiàn)復(fù)雜幺正變換的能力，結(jié)合集成光源和探測器，使得廣泛的量子應(yīng)用成為可能。雖然挑戰(zhàn)仍然存在，但光電子集成和光量子技術(shù)的持續(xù)進(jìn)展正在使我們越來越接近實用的光量子處理器�？删幊碳軜�(gòu)提供的可重構(gòu)性對于原型設(shè)計量子算法和開發(fā)穩(wěn)健、多用途的量子計算系統(tǒng)將是非常有價值的。
參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

2 M0 H% A$ ^2 Q! m- END -

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
. }  ]- B  j+ H* g1 _. W  X
- A1 e" n& J  J5 u' k( [5 j6 A! X歡迎轉(zhuǎn)載

. K. g7 ]$ ?8 a" U* r; l/ _! i轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
( {4 |- l' Z5 B; I, L( g( z* Q

+ L- ?! B6 X/ I
7 X8 r9 E8 I& X8 c0 D' R: `
1 L. h5 r1 e2 b
. i% S6 w- @% g0 ?  {* s關(guān)注我們

  I2 _) F3 r5 I

9 H* o* J3 k; \7 z* \/ C

                     
* ^5 N6 Q  Y1 X


; |! y$ [8 D1 u1 Z; ?; u關(guān)于我們：
7 Q7 p# F2 _; l/ \6 ^( v& e深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
4 p. u( ~" g3 [7 Y- E: O7 B
http://www.latitudeda.com/
5 H1 c" i3 c, u: h' u" N5 F（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）