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APL Quantum | 基于鍺硅單光子雪崩二極管的集成硅基光電子室溫光量子計算

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發(fā)表于 2024-11-6 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
引言
, o# m" R. c* k光量子計算(PQC)已成為實現(xiàn)量子信息處理的一種有前途的方法。傳統(tǒng)上,PQC系統(tǒng)主要依賴于低溫環(huán)境,主要是因為需要使用超導納米線單光子探測器(SNSPDs)。然而,鍺硅(GeSi)單光子雪崩二極管(Spads)的最新進展為室溫PQC提供了新的可能。本文探討了使用光電子集成芯片和GeSi SPADs進行室溫PQC的概念,強調(diào)在革新量子計算研究和開發(fā)方面的潛力[1]。( {$ O: Q+ r; ^8 y7 {
" ]+ k5 `. L( g

7 ?$ n6 _6 \  ?5 t室溫PQC范式* F9 }8 Y0 F1 ]+ g5 o
提出的室溫PQC范式利用了GeSi SPADs和光電子集成芯片的最新發(fā)展。與低溫系統(tǒng)相比,這種方法提供了多項優(yōu)勢,包括提高測試吞吐量、縮短設(shè)計迭代周期和簡化系統(tǒng)集成。" k) l. Q9 L& s: n6 i* t
% S% x7 w9 W  N* z4 n4 M
圖1:基于硅基光電子的室溫PQC范式示意圖,利用單光子的路徑自由度。
; n& ]# M$ F7 C* J8 U
8 D4 ~  ?, b% C室溫PQC系統(tǒng)的主要組成部分包括:
  • 量子源:通過硅-絕緣體-硅(SOI)環(huán)形諧振器中的自發(fā)四波混頻(SFWM)產(chǎn)生單光子。
  • 量子線路:使用級聯(lián)的馬赫-曾德爾干涉儀(MZIs)實現(xiàn)的可編程干涉儀網(wǎng)格(FPIM)操縱單光子的路徑。
  • 量子探測器:在室溫下工作的波導GeSi SPADs作為單光子探測器(SPDs)或光子數(shù)分辨探測器(NPDs)。
    * X0 w' I. p  }! }- W1 Q! s[/ol]
    # Y* e2 P: I; r) B  Z0 r/ \6 H波導GeSi SPAD設(shè)計0 s" p/ v' Y6 d
    室溫PQC系統(tǒng)的核心是波導GeSi SPAD。該器件基于最近在室溫下演示的垂直入射GeSi SPAD。提出的設(shè)計旨在實現(xiàn)高量子效率(QE)和低暗計數(shù)率(DCR),同時保持與標準硅基光電子制造工藝的兼容性。' h+ S5 `4 ~2 f% G8 d: p+ k/ x  a# [
    7 b; a+ \# m* P% S/ \- `
    圖2:(a)提出的波導GeSi SPAD的俯視圖和(b)橫截面圖。
    . D6 q9 G) A4 a9 Z- i, X+ i; ~! z" e* l  L
    波導GeSi SPAD設(shè)計包含幾個關(guān)鍵特征:
  • 臺階耦合器:連接SOI波導和Si層,實現(xiàn)高效光耦合。
  • 多模干涉(MMI):允許光場在波導中垂直振蕩,增強Ge層吸收。
  • 鋁背反射鏡:增加有效吸收長度,最小化器件占用面積。
    " o! m  W+ b- w4 f& Q: V[/ol]
    . `2 x6 l2 g( v! K; a量子效率優(yōu)化
    8 K7 i0 L: U6 Z: s) M為最大化波導GeSi SPAD的性能,進行了大量模擬以優(yōu)化量子效率。" `: A) n7 @; c* O  y: Y  b
    2 C2 z+ o8 w4 f4 J9 X
    圖3:(a)無Al背反射鏡的提議波導GeSi SPAD的QE,(b)有Al背反射鏡時的QE,以及(c)在1550 nm和1310 nm波長中心的光譜QE。% L- z+ k  ]) ~  k0 K6 f
    ; a# _+ s! _: ~% y% y( A* f
    優(yōu)化過程揭示:/ K! W% J) {* r/ u+ n7 ^
  • 在1550 nm和1310 nm波長處均可實現(xiàn)大于95%的QE。
  • 添加Al背反射鏡顯著提高了QE并減少了器件長度。
  • 仔細選擇耦合器長度、間隙長度和Ge長度對于獲得最佳性能非常重要。$ `) f5 F7 Y2 s( U; V" B. V

      E. P4 m: e0 H! W暗計數(shù)率縮放
    & S; d# z" m3 t, W' D開發(fā)室溫SPADs的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理暗計數(shù)率。通過分析參考光電二極管的數(shù)據(jù),可以估算提議的波導GeSi SPAD的DCR。, ^8 z8 e! A. d( h5 G9 |5 i  J) }5 I
    - q# t4 s: N8 `
    圖4:GeSi PD在-1 V反向偏置下的暗電流,按其有源區(qū)周長歸一化,繪制為有源區(qū)直徑的函數(shù)。) |. \3 a  @. `) u* j
    & l1 }# s5 @2 [, _
    分析結(jié)果顯示:
    1 p. V9 ?2 x/ D& w" U
  • 表面暗電流密度:4.12 μA/cm2
  • 體暗電流密度:0.7 nA/cm
  • 估計的DCR:在1 V過偏壓時約為0.8 MHz,在2 V過偏壓時約為1.6 MHz0 @& L$ P( r9 ?
    : ]- J6 j+ i* t% U6 [
    這些值代表了文獻中報道的最低水平,使GeSi SPADs能夠在室溫下運行。# }2 z  _! K! h) o1 G

    " j6 W4 ~+ {! G( v) t+ IPQC性能基準% Z  R; j! Z1 d* H1 |) K0 G; R; \
    為評估GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的適用性,提出了新的性能指標,更好地反映了量子計算系統(tǒng)的要求。這些指標側(cè)重于在存在暗計數(shù)的情況下忠實檢測光子態(tài)的能力。. X0 r- T! g  I  D0 }' ?+ A
    ( x- O2 V+ d7 r2 h7 N
    對于基于光子的PQC:
    " W; z$ }4 a8 s) V2 ^3 J) R) @3 t- o 1 f3 v4 ^' U+ Z6 `- T, I0 p
    圖5:(a)成功檢測N光子態(tài)的概率,(b)檢測N光子態(tài)的保真度,(c)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之間的成功概率差異,以及(d)保真度差異。3 \& V6 o8 a- r( [, a% S1 ]

    ; a) I8 W1 ~7 u; Y對于基于量子位的PQC:  _" Q. d, z$ J( e

    ( ~# T" h& j. I) s圖6:(a)使用300 K GeSi SPADs成功檢測N量子位態(tài)的概率和保真度,(b)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之間的成功概率和保真度差異。
    & d* j% B/ I! M' Y, r7 q3 t* [. P* M" S; L3 \1 ?
    性能分析的主要發(fā)現(xiàn):
  • 由于假設(shè)的單光子探測效率(SPDE)較高,300 K GeSi SPADs的成功概率比4 K NbN SNSPDs高幾個百分點。
  • 300 K GeSi SPADs的保真度僅比4 K NbN SNSPDs低0.0084%。
  • 高單光子探測效率(SPDE)在PQC性能中起著關(guān)鍵作用,而超低DCR并不像之前認為的那樣重要。
    1 o' T7 G0 W+ R. {- E% q7 j. o2 Z[/ol]
    ! U, A7 _( {5 b1 P& K這些結(jié)果表明,當考慮適當?shù)男阅苤笜藭r,室溫GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的表現(xiàn)可與低溫NbN SNSPDs相媲美。
    9 j8 V; v7 Y: c/ W  {4 n, @& E) c+ Q- p. |
    光子數(shù)分辨探測器- a: \/ @7 _" U& C# X; P
    為實現(xiàn)光子數(shù)分辨能力,提出了兩種基于空間復用波導SPD陣列的波導NPD配置:
    * {1 G. H( s; M , L, A% N) N1 i. S
    圖7:基于空間復用波導SPD陣列的波導NPD可能配置。(a)星型耦合器方法,(b)級聯(lián)波導耦合器方法。3 @8 p" }! c0 d* r) ^4 t+ r0 n* ^
  • 星型耦合器方法:輸入SOI波導與星型耦合器對接,后者將光導向波導SPD陣列。
  • 級聯(lián)波導耦合器方法:輸入SOI波導與側(cè)波導進行波導耦合,然后耦合到波導SPD陣列。
    . A) U$ B# g3 K2 [[/ol]
    4 H0 P6 h+ M3 ^% c這兩種配置都能夠創(chuàng)建適用于基于光子的PQC方案的NPDs。0 f. c  L+ r: j6 K* w- l; @- v4 N

    : o/ o' J0 L3 Y6 O" c. ^. M- M1 S, _未來方向和挑戰(zhàn)
    % q, W+ A7 c" P; \# K0 O4 d2 t: _雖然提出的室溫PQC范式顯示出巨大潛力,但仍存在幾個挑戰(zhàn)和未來研究機會:
    2 H1 @1 o0 p6 T1 E( g
  • 中紅外(MIR)操作:探索基于MIR的量子光學,以減輕短波紅外(SWIR)波長下SOI波導中的雙光子吸收效應(yīng)。
  • 替代材料:研究基于GeSn on Si、GeSn on Ge on Si和應(yīng)變超晶格on Ge on Si的SPADs,以擴展波長覆蓋范圍。
  • 制造和集成:開發(fā)和優(yōu)化波導GeSi SPADs的制造工藝,并將其與現(xiàn)有硅基光電子平臺集成。
  • 擴展和系統(tǒng)級演示:實現(xiàn)大規(guī)模室溫PQC系統(tǒng),并展示具有實際優(yōu)勢的量子算法。; N- ?. N# }1 I2 Y! h) m" N

    / f8 m" K/ K+ H5 R, H$ ^結(jié)論
    $ D% L+ V$ p1 n/ Z( |" j) s+ m基于光電子集成芯片和波導GeSi SPADs的提議室溫PQC范式為無低溫量子計算提供了有前景的道路。通過利用GeSi SPAD技術(shù)的最新進展并仔細優(yōu)化器件設(shè)計,可以在室溫下實現(xiàn)與低溫系統(tǒng)相當?shù)男阅堋_@種方法有潛力顯著加速實用量子計算系統(tǒng)的開發(fā)和部署,為量子信息處理及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的可能性。& i/ P4 l: U! [
    + `1 j  x6 l: V5 d! t
    參考文獻5 a. c5 g* l0 R3 k+ B
    [1] N. Na, C.-Y. Hsu, E. Chen, and R. Soref, "Room-temperature photonic quantum computing in integrated silicon photonics with germanium–silicon single-photon avalanche diodes," APL Quantum, vol. 1, no. 036123, Sep. 2024, doi: 10.1063/5.0219035.
    ) P: `. Y  l( L! ]! L" j6 i( Z& [- z* d9 A+ z/ _' G/ y; p
    END
      [$ G5 ~% }) }" W+ L  X

    1 d5 f9 ?% u* X) D9 z. r( k, I6 W0 q7 p7 I4 @4 j4 `4 V: ]
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    9 }  v1 k( o& s/ \
    歡迎轉(zhuǎn)載+ P% d$ y: y) b8 }) w' t& V

    0 e) }8 i) V* ~- Q轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!! d; y* g1 P# a3 k
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    , a! }6 d! w) M$ h, z, ]0 q
    ( z& x( b* [! h# I/ M
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    + l) z+ f0 g7 P5 B& g) D( t
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    # M/ b0 T- W% j& r; `$ X* p * h; ^% k+ {( C
    $ U. ?5 D% K5 _( H+ p' B

    1 F2 B- {5 v; V4 S4 I
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    * g( Z8 T, U' z4 S& @; Q, H" j
      B" b! W6 l; i# g8 F

    " U; F. G! {# R7 B$ f1 ~5 n  G關(guān)于我們:
      z$ `2 w) }2 t, z  l) h深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設(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)。  a4 }+ W/ |3 _7 c+ n% E7 S

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