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(jì)算

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
- V7 _" t2 |" C; u) o7 s1 u& `光量子計(jì)算(PQC)已成為實(shí)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?yàn)樾枰�使用超�?dǎo)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(jìn)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(jìn)行室溫PQC的概念，強(qiáng)調(diào)在革新量子計(jì)算研究和開發(fā)方面的潛力[1]。


室溫PQC范式
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(xiàng)優(yōu)勢，包括提高測試吞吐量、縮短設(shè)計(jì)迭代周期和簡化系統(tǒng)集成。

4 U( P0 f5 I( a4 B" r, Y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。

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(shí)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(dǎo)GeSi SPADs作為單光子探測器(SPDs)或光子數(shù)分辨探測器(NPDs)。
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% j* Y9 z0 _5 d; B4 q. p波導(dǎo)GeSi SPAD設(shè)計(jì)
室溫PQC系統(tǒng)的核心是波導(dǎo)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(jì)旨在實(shí)現(xiàn)高量子效率(QE)和低暗計(jì)數(shù)率(DCR)，同時(shí)保持與標(biāo)準(zhǔn)硅基光電子制造工藝的兼容性。

圖2：(a)提出的波導(dǎo)GeSi SPAD的俯視圖和(b)橫截面圖。

波導(dǎo)GeSi SPAD設(shè)計(jì)包含幾個關(guān)鍵特征：

臺階耦合器：連接SOI波導(dǎo)和Si層，實(shí)現(xiàn)高效光耦合。

多模干涉(MMI)：允許光場在波導(dǎo)中垂直振蕩，增強(qiáng)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。
[/ol]
量子效率優(yōu)化
為最大化波導(dǎo)GeSi SPAD的性能，進(jìn)行了大量模擬以優(yōu)化量子效率。

圖3：(a)無Al背反射鏡的提議波導(dǎo)GeSi SPAD的QE，(b)有Al背反射鏡時(shí)的QE，以及(c)在1550 nm和1310 nm波長中心的光譜QE。

! O1 O6 j2 @3 U- N. k優(yōu)化過程揭示：

在1550 nm和1310 nm波長處均可實(shí)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(xì)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。
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" E8 ^5 n, Q) t# M1 O! |暗計(jì)數(shù)率縮放
. [, a9 V$ O6 g8 |開發(fā)室溫SPADs的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理暗計(jì)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(dǎo)GeSi SPAD的DCR。

* ~' Z) |! X7 h& c# T4 I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)。

" j5 D) ~8 z5 g! X分析結(jié)果顯示：
" A7 p) t/ C2 N3 `! Q1 i: U

表面暗電流密度：4.12 μA/cm2

體暗電流密度：0.7 nA/cm

估計(jì)的DCR：在1 V過偏壓時(shí)約為0.8 MHz，在2 V過偏壓時(shí)約為1.6 MHz
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這些值代表了文獻(xiàn)中報(bào)道的最低水平，使GeSi SPADs能夠在室溫下運(yùn)行。
; p& F+ _4 ]5 i0 @" B7 [- H
; m1 F" d& \; |/ bPQC性能基準(zhǔn)
為評估GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的適用性，提出了新的性能指標(biāo)，更好地反映了量子計(jì)算系統(tǒng)的要求。這些指標(biāo)側(cè)重于在存在暗計(jì)數(shù)的情況下忠實(shí)檢測光子態(tài)的能力。

對于基于光子的PQC：
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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。
6 Z" M4 ?0 t) [' ?$ \$ f# d0 a- J' L
' K, Z8 N& x; n' u, U& H/ b1 e對于基于量子位的PQC：

) w+ B3 s4 U+ K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。
' L. k, {9 p; m- s! q
! l) M3 T: M' @0 B& n) Q" m4 _" d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(diǎn)。

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(rèn)為的那樣重要。
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- \5 J8 i- v- [- }1 M% q這些結(jié)果表明，當(dāng)考慮適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)時(shí)，室溫GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的表現(xiàn)可與低溫NbN SNSPDs相媲美。

% ?, h- t% ]/ Q! N8 O光子數(shù)分辨探測器
8 U, w; {- n2 k2 X* J: M為實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨能力，提出了兩種基于空間復(fù)用波導(dǎo)SPD陣列的波導(dǎo)NPD配置：

圖7：基于空間復(fù)用波導(dǎo)SPD陣列的波導(dǎo)NPD可能配置。(a)星型耦合器方法，(b)級聯(lián)波導(dǎo)耦合器方法。

星型耦合器方法：輸入SOI波導(dǎo)與星型耦合器對接，后者將光導(dǎo)向波導(dǎo)SPD陣列。

級聯(lián)波導(dǎo)耦合器方法：輸入SOI波導(dǎo)與側(cè)波導(dǎo)進(jìn)行波導(dǎo)耦合，然后耦合到波導(dǎo)SPD陣列。
[/ol]
這兩種配置都能夠創(chuàng)建適用于基于光子的PQC方案的NPDs。

未來方向和挑戰(zhàn)
+ p4 t! b& M6 ^- p( z3 i1 C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(jī)會：

中紅外(MIR)操作：探索基于MIR的量子光學(xué)，以減輕短波紅外(SWIR)波長下SOI波導(dǎo)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(kuò)展波長覆蓋范圍。

制造和集成：開發(fā)和優(yōu)化波導(dǎo)GeSi SPADs的制造工藝，并將其與現(xiàn)有硅基光電子平臺集成。

擴(kuò)展和系統(tǒng)級演示：實(shí)現(xiàn)大規(guī)模室溫PQC系統(tǒng)，并展示具有實(shí)際優(yōu)勢的量子算法。

6 N' [/ S3 H5 i) y6 S( {結(jié)論
基于光電子集成芯片和波導(dǎo)GeSi SPADs的提議室溫PQC范式為無低溫量子計(jì)算提供了有前景的道路。通過利用GeSi SPAD技術(shù)的最新進(jìn)展并仔細(xì)優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)與低溫系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅堋＿@種方法有潛力顯著加速實(shí)用量子計(jì)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。

5 g8 s% T( }2 ~( d參考文獻(xiàn)
[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.

END


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