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。
: g6 Q/ _4 {8 B& H1 c1 b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]
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6 Z+ m( b8 ^  [0 n
5 J- i$ b, c. a4 @6 X, F! c# q# q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(shí)現(xiàn)。這允許對(duì)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：片上量子光源通常基于硅波導(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(duì)，如圖2所示。
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- j) z8 T# K& j9 k/ t! F; W1 {: G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）。

" h7 P; z1 C% q+ P- Z圖3
1 Y! H; M7 r) G9 L6 f, d
表1比較了不同光源架構(gòu)的性能。

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表1
- i. n$ ~! H- C5 Z) w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。
6 n. ?& k/ n# ]  L
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。

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(shí)現(xiàn)各種4x4幺正變換。
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圖6
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(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。

% ~* x+ r2 A, u& l* e圖7
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(shí)現(xiàn)任意雙量子比特門的結(jié)果。
. V# |; k; F. R" }. Z% e
! Y- q- o: b1 M0 M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(dòng)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(shí)驗(yàn)。

2 t; E$ H& u& ~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)來說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)。
' R" C+ p+ P9 u
* w( y# ^% K' o, B3 M8 Y& K4 ^圖10

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。
) f$ x$ E: ~& @# z  {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]
" H& A: S. B; f+ }1 l5 O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。
9 X, ]6 _" T  `% B" N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，允許使用相同的硬件用于不同的量子信息處理任務(wù)。
! Q* M+ ~: ], I( B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(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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