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(jì)自動(dòng)化

引言量子信息處理有望改變計(jì)算、通信和傳感領(lǐng)域。然而，實(shí)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(guò)將光電子元件微型化到芯片上，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子處理器提供了平臺(tái)。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(shí)驗(yàn)演示。
+ }6 d0 n( r* s$ Z8 _4 K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(shí)現(xiàn)幺正變換

單光子探測(cè)器，用于測(cè)量輸出態(tài)

用于編程和反饋的經(jīng)典控制電子線路[/ol]
3 b0 Z1 O1 G) {# a3 L) ]' c" E) Q0 Z

2 |0 k; V. q6 _# S; i0 h圖1
, a2 `: p" ]) h* s6 U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(lái)實(shí)現(xiàn)。這允許對(duì)輸入量子態(tài)應(yīng)用任意幺正變換。
* r) u6 t0 v% f" J9 ^- S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(jiǎn)并和簡(jiǎn)并SFWM都可用于生成相關(guān)光子對(duì)，如圖2所示。

圖2
演示了各種集成光源設(shè)計(jì)，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）。

" p$ P# ^$ y# r, A4 R7 p- C2 @圖3
2 k: z% g) n( a
表1比較了不同光源架構(gòu)的性能。
, Z9 [  E" k* v4 W

, O  w  O  w* f# W8 t表1
選擇性濾波器：在光子對(duì)生成后，需要高消光比（>100 dB）濾波器來(lái)抑制強(qiáng)泵浦光。集成濾波器設(shè)計(jì)包括級(jí)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(gè)結(jié)合光子生成和濾波的硅基光電子芯片示例。

2 J+ p4 M8 w: Q# W8 ?0 v, w! y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(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5顯示了硅基光電子和silica-on-silicon中大規(guī)模可編程干涉儀的示例。

) I4 T( l( Q4 d圖5
另外，可重構(gòu)波導(dǎo)網(wǎng)格線路可以通過(guò)適當(dāng)?shù)木幊虂?lái)模擬任意干涉儀拓?fù)�。圖6演示了六邊形網(wǎng)格如何實(shí)現(xiàn)各種4x4幺正變換。
) X$ O  [) B+ n8 [" d/ M% {' s
圖6
8 H5 l$ a$ i8 g& @單光子探測(cè)器：超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）通常用于片上探測(cè)電信波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)的預(yù)報(bào)CNOT門和貝爾態(tài)生成器的實(shí)驗(yàn)演示。

5 P. b( e/ I+ l圖7
圖8展示了大規(guī)模硅基光電子處理器通過(guò)算子的線性組合實(shí)現(xiàn)任意雙量子比特門的結(jié)果。

0 D5 B, r% c5 E; ]7 e2 z. N! p圖8
& I! r1 H1 d" q+ J" A量子傳輸模擬：可編程光電子線路允許研究靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)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(shí)驗(yàn)。
8 s  z' @! }8 x5 o/ P8 F; ?- K, n
3 X4 A4 [- U% b% J! s; c圖9
玻色子采樣：玻色子采樣是一種被認(rèn)為對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)很難但可以使用光子的量子干涉有效求解的計(jì)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(shí)驗(yàn)。
3 O( ^- l2 E% N: D) @3 }6 S
" R2 c6 b7 \; z+ q圖10
  y6 ~3 Z$ E& ]
圖11
復(fù)雜阿達(dá)瑪變換：可編程線路可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的阿達(dá)瑪變換，如量子傅里葉變換，這對(duì)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(gè)挑戰(zhàn)：

減少光學(xué)損耗以實(shí)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(jì)數(shù)的高性能探測(cè)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(duì)于實(shí)現(xiàn)基于集成光電子技術(shù)的實(shí)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(huì)在量子模擬實(shí)驗(yàn)和特殊計(jì)算任務(wù)（如玻色子采樣）中找到應(yīng)用。
隨著技術(shù)的成熟，可以期待在硅基光電子技術(shù)中實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的量子算法和錯(cuò)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(shì)，允許使用相同的硬件用于不同的量子信息處理任務(wù)。
, K. I, h  s; l; X# T( E結(jié)論可編程集成光電子技術(shù)為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理器提供了有前景的平臺(tái)。在芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幺正變換的能力，結(jié)合集成光源和探測(cè)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?cè)絹?lái)越接近實(shí)用的光量子處理器�？删幊碳軜�(gòu)提供的可重構(gòu)性對(duì)于原型設(shè)計(jì)量子算法和開發(fā)穩(wěn)健、多用途的量子計(jì)算系統(tǒng)將是非常有價(jià)值的。
參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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. }6 I, }- g. Y2 A& z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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)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)。

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