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。
% Q8 K* |, N* e" q9 V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]
" U- g! g9 @" }( b6 I1 p4 b) P

5 Q+ E! ^/ M  i& q圖1
1 C# |2 Y  n; \: y: q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。
6 r, E" I# V2 a- s& p, H: k' H( p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。

. h; U6 S4 X5 s* t圖2
, J6 ]' O  t8 c5 D, F7 M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）。

. E/ q9 L, R) N( b+ S$ ~! ^圖3
- q4 o6 d/ g  M9 U
, d9 `% u. {+ Z$ p% }表1比較了不同光源架構(gòu)的性能。
0 X" _3 I' m; k- T2 X! F% T
% n5 V: N2 E& k% R: N# h
表1
' r4 C6 f9 [1 ^( r' s- v9 e: _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。

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)模可編程干涉儀的示例。

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。
* J" t( V" L) E' X5 ~9 ^% Q9 d
# @" a1 x* `; N6 W5 s圖6
( B- S3 |9 N5 J' T8 @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。
; V, i# h' I  _8 T2 T' W1 j9 Y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。

圖7
  i6 ^/ q4 Y0 M1 \8 o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。
. l6 I6 ?  u( l. l7 H( V
圖8
; K$ d& D  k4 P; T, N) @) U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。
' Z- t! h3 Y* e* d" Q8 ^1 v' d3 w
圖9
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。

" @# I9 [/ I- l! O5 z! R圖10
0 U2 h4 p+ y  j2 |4 r& X# ^
1 K4 Z* y0 z% K5 G6 Y圖11
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。
# B- J$ k4 O6 m  C( q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。
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。可編程光電子處理器提供的可編程性和可重構(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。
3 j$ f  L5 }: T  F, S# ]. U: }參考文獻(xiàn)[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.

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