可編程集成光電子技術在量子系統(tǒng)中的應用

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引言量子信息處理有望改變計算、通信和傳感領域。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。集成光電子技術通過將光電子元件微型化到芯片上，為實現(xiàn)可擴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在量子應用中的應用，涵蓋了關鍵構建模塊和實驗演示。
: I, o" a2 R# n! y  G( N, Q可編程光量子處理器的架構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  

可編程線性光學網(wǎng)絡，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典控制電子線路[/ol]
" W$ d( Q& Q- Y1 T3 n9 U+ R

3 B; |; f) D( c0 y, R' h& i7 T圖1
* G" w5 L. H1 E- b# r& e9 \: u處理器的核心是可編程線性光學網(wǎng)絡，可以使用多端口干涉儀或可重構波導網(wǎng)格線路來實現(xiàn)。這允許對輸入量子態(tài)應用任意幺正變換。
" Y" J7 s- N& w4 M# H關鍵構建模塊量子光源：片上量子光源通常基于硅波導中的自發(fā)四波混頻（SFWM）。非簡并和簡并SFWM都可用于生成相關光子對，如圖2所示。
# {, [% `- v$ h: I  h" a0 @
' r- H8 _5 v1 u) w' K& B; j8 N圖2
演示了各種集成光源設計，包括直線和螺旋納米線、環(huán)形諧振器和光子晶體波導（圖3）。
& Q; B* i& R" R" x1 K. A
# `& J) c0 [1 g2 h. z圖3

/ G% F( A9 r" ^表1比較了不同光源架構的性能。
8 n% |+ h; G! X- X5 ]/ |- o, S  i

表1
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
可編程線性光學網(wǎng)絡：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來實現(xiàn)。圖5顯示了硅基光電子和silica-on-silicon中大規(guī)�？删幊谈缮鎯x的示例。
0 `& m2 l6 T7 |/ x  S8 h: n) G
圖5
, `# a( k1 m4 @5 C: ]另外，可重構波導網(wǎng)格線路可以通過適當?shù)木幊虂砟�擬任意干涉儀拓撲。圖6演示了六邊形網(wǎng)格如何實現(xiàn)各種4x4幺正變換。
; p7 G  j+ V3 J# a+ |; o
3 |9 B# J% s- }/ M$ E! C圖6
) H; o/ F8 k1 M. d/ z5 T+ N單光子探測器：超導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。最近的工作已經演示了將SNSPD直接集成在硅波導上。
量子信息處理演示線性光學量子門：可編程線路能夠實現(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)的預報CNOT門和貝爾態(tài)生成器的實驗演示。

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現(xiàn)任意雙量子比特門的結果。

' [4 a7 A, C' |, h6 r( ^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無序的量子行走的實驗。

圖9
  W8 g- p  Y% x: K玻色子采樣：玻色子采樣是一種被認為對經典計算機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。圖10顯示了三維集成玻色子采樣芯片的結果，而圖11展示了使用平面光波線路的實驗。
  w4 t$ A! a9 U& P
5 i9 G- h$ I  n& Q% b9 n: E圖10
* ]. S9 {& b' P: ]
. b, M2 S" J7 m! ?0 S! d6 i5 n1 G圖11
復雜阿達瑪變換：可編程線路可以實現(xiàn)復雜的阿達瑪變換，如量子傅里葉變換，這對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取得了重大進展，但仍然存在幾個挑戰(zhàn)：

減少光學損耗以實現(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]
4 k- \! u" q+ ]2 ^+ E克服這些障礙對于實現(xiàn)基于集成光電子技術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（如玻色子采樣）中找到應用。
! V3 a( G. ?# X: k5 G0 o$ F隨著技術的成熟，可以期待在硅基光電子技術中實現(xiàn)更復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性將是關鍵優(yōu)勢，允許使用相同的硬件用于不同的量子信息處理任務。
% t" i8 Z4 X$ C9 ?結論可編程集成光電子技術為實現(xiàn)可擴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)復雜幺正變換的能力，結合集成光源和探測器，使得廣泛的量子應用成為可能。雖然挑戰(zhàn)仍然存在，但光電子集成和光量子技術的持續(xù)進展正在使我們越來越接近實用的光量子處理器�？删幊碳軜嬏峁┑目芍貥嬓詫τ谠�型設計量子算法和開發(fā)穩(wěn)健、多用途的量子計算系統(tǒng)將是非常有價值的。
參考文獻[1]J. Capmany and D. Pérez, "Programmable Integrated Photonics," Oxford University Press, 2020.
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