基于硅基光電子工藝平臺的低串擾光波導用于將激光傳遞給多個量子比特

逍遙設計自動化

引言
許多量子計算系統(tǒng)的核心是基于物質的量子比特，如trapped ions、中性原子和氮空位中心。這些量子比特需要使用激光進行精確控制，以完成初始化、操控和讀取等各種操作。然而，隨著量子系統(tǒng)規(guī)模的擴大，將激光傳遞給多個量子比特并同時最小化串擾變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

本文將探討這個問題的創(chuàng)新解決方案：由CMOS代工廠生產的、微制造的氮化硅（Si3N4）光波導系統(tǒng)。這種技術能夠將激光精確地傳遞到多個量子比特，同時保持最小的串擾[1]。
  J8 u/ b8 o  j; [9 W0 a
' |( m/ E0 Q$ o' j+ X4 e+ n" A光電子芯片設計和制造
' q0 D& J' O! R* E: G實現低串擾激光傳遞的關鍵在于光電子芯片的精心設計和制造。讓我們來研究這個過程的關鍵方面。

+ e. [' r( f" A" p  B
圖1展示了光電子芯片平臺的設計和仿真。(a) 芯片的顯微鏡圖像，包含多個設備變體。(b) 波導輸出的橫截面視圖，展示了分層結構。
( L% ?: e; o: B
代工廠平臺
光電子芯片是在300毫米的絕緣體上硅（SOI）晶圓上使用商業(yè)CMOS代工廠制造的，確保了與標準半導體制造工藝的兼容性，實現了可擴展的生產。

代工廠平臺的主要特點包括：

通過低壓化學氣相沉積（LPCVD）沉積的150納米厚的Si3N4波導

5微米的埋氧層（BOX），用于將波導模式與硅襯底隔離

5微米的二氧化硅頂部包覆層
[/ol]
Si3N4波導使用193納米深紫外氬氟（DUV ArF）準分子激光浸沒光刻進行圖形化，然后進行蝕刻。這個過程允許精確控制波導尺寸和間距。

波導設計
, E  W. ?- _5 H$ _. R6 X' K+ l6 O& {% L6 p波導設計對于實現低串擾和高效光傳遞很重要。

+ z# P% R# Y2 L0 Z0 w圖2顯示了(a)片上路由的仿真波導模式，以及(b)經過點尺寸轉換后的輸出邊緣耦合器，插圖顯示了輸出端面的掃描電子顯微鏡圖像。

; @# r; h2 ]& \* M關鍵設計考慮包括：
% C# E; S, n$ v3 C

最佳波導寬度（例如，650納米光的500納米寬度）以確保單模操作和高限制

緊湊的10微米半徑彎曲，損耗低（每90°彎曲低于0.1 dB）

反向錐形點尺寸轉換器（SSCs）以擴展高度限制的波導模式，實現與自由空間的高效耦合

光電子線路架構
光電子芯片的整體架構在抑制不需要的光和最小化串擾方面起著關鍵作用。
5 {- J6 x5 d2 H
關鍵架構特征包括：
0 x' r; \, T1 q

戰(zhàn)略性放置90°徑向彎曲，將雜散光重定向遠離輸出

輸出波導之間深刻蝕的空氣溝槽，用于消除平板模式

控制波導輸出通道的間距，以匹配量子比特陣列間距

在輸出端面進行點尺寸轉換，以優(yōu)化與量子比特陣列的模式匹配
8 z# ^. v6 q8 K+ ]  x
直接光學表征
: s% m1 Y$ {. T6 k為了評估制造的光電子芯片的性能，直接光學表征是必不可少的。這個過程涉及測量輸出強度和波導通道之間的串擾。

  p. E' r+ {1 E, b
! R) S( @" c4 K$ Z/ P圖3說明了表征波導輸出和串擾的光學設置，包括光纖耦合的聲光調制器、顯微物鏡和掃描狹縫機制。

2 x% P) o$ }" Q, \+ H1. 表征技術
9 n7 d: Y5 v2 q/ R; b) {( g' [- h表征設置包括：
* k. T( i2 B. P9 R3 O) D

光纖耦合的聲光調制器（AOM）用于調制輸入激光幅度

高數值孔徑物鏡和管透鏡用于形成波導輸出的放大圖像

安裝在線性定位臺上的窄狹縫（5微米寬度）

可變增益光電二極管用于檢測透射光

信號分析儀用于隔離幅度調制分量

這個設置允許對波導輸出輪廓進行高分辨率掃描，并準確測量通道之間的串擾。

2. 表征結果

圖4顯示了使用50倍成像系統(tǒng)測量的光電子芯片輸出輪廓，展示了解卷積后的相對橫向積分強度輪廓。

表征結果揭示：

由于溝槽的存在，波導通道之間的強度急劇下降

在沒有溝槽的外邊緣，強度下降較慢

展示了溝槽對串擾緩解的影響

* h9 B( n1 m2 d4 f" F0 S
2 m; f. J' t) w/ Q% j圖5顯示了波導輸出的串擾測量，包括(a)兩個緊密間隔波導的相對強度，(b)為不同波長設計的設備的強度分布，(c)溝槽波導輸出的2D輪廓，以及(d)通過2D輪廓的線切割的相對強度。

! Q) b: }+ T4 }+ R) N串擾測量的關鍵發(fā)現：
6 Z) W  d& @3 G+ ~

相鄰波導輸出之間測得的串擾為-50.8(1.3) dB

為493納米、585納米和650納米波長設計的設備具有相似的串擾性能

直接光纖掃描方法顯示峰值強度和背景之間的串擾為-60.6(2.5) dB

演示：激光冷卻trapped ions
+ q4 o( ?0 i, w/ a: m為了展示光電子芯片的實際應用，進行了涉及激光冷卻trapped barium ions的演示。
+ w" @- k5 W/ C. u( j7 f% l2 b  N
4 k* K: y  M9 l1 e6 k
圖6呈現了trapped-ion和光電子芯片設置的示意圖，插圖顯示了由全局冷卻光束和光電子芯片輸出照明的八離子鏈的熒光圖像。
% M) }; L1 Z# n4 d+ u* c3 @
1. 演示技術
演示設置包括：

四桿射頻Paul trap用于限制晶化的barium ions

493納米和650納米波長的全局冷卻光束

光電子芯片提供650納米光用于D3/2 ? P1/2回泵躍遷

0.6數值孔徑透鏡系統(tǒng)用于收集離子散射的光

emcCD相機用于熒光成像
) A9 K  `! j' R; Z8 g7 P
. a; |: l: ^" s) |+ C2. 演示結果
演示成功顯示：

當被光電子芯片輸出照射時，離子鏈的熒光和晶化

當芯片輸出沿著鏈移動時，單個離子的尋址

僅使用光電子芯片的回泵光維持冷卻的離子鏈

結論和未來展望
CMOS代工廠兼容、低串擾的光電子波導陣列的開發(fā)代表了物質基量子比特激光傳遞的重大進展。
6 c7 m  Y+ V3 @6 ~& g" c主要成就包括：
1. 激光輸出的精確、不規(guī)則定位
# A+ Y: E7 @9 M0 l) s4 e) i# ]0 @% n2. 實施雜散光減少技術
2 F# Q3 A- g& d- Y3. 測得的串擾為-50.8(1.3) dB，比先前報道改善了一個數量級
4. 成功演示了trapped Ba+ ions的激光冷卻和晶化

模塊化和可重復性為未來的量子信息處理系統(tǒng)帶來的好處：
3 J% G; x) \, w4 n! W8 B1. 可擴展的量子網絡：通過提供量子比特和光纖之間的接口，這些光電子芯片實現了量子網絡的創(chuàng)建。
/ z- s( t& B$ N+ E2. 可定制設計：制造過程的精確性和靈活性允許為特定量子比特平臺和應用量身定制解決方案。
" _( g9 h# j* u( _; B; y9 }  i; k1 ?( s3. 主動設備集成：雖然演示的設備是被動的，但代工工藝支持實現主動組件，用于更高級的量子比特控制和操縱。
7 O! V* c" \% k8 G" K" x# \- `4. 增強光收集：本工作中的模式匹配考慮可應用于優(yōu)化從量子比特收集光，提高量子態(tài)讀取的效率。
5. 多量子比特尋址：通過添加主動組件，這些設備可以實現單個trapping區(qū)域內多個量子比特的獨立尋址。
- o+ L; \; }7 }4 q* z3 c2 R7 }( M5 ~6. 與其他量子技術集成：這個平臺的多功能性使其適用于與各種類型的量子比特接口，包括trapped ions、中性原子和固態(tài)量子比特。
" q" x4 Q9 O' t- q
7 ]1 x; G' Y0 J4 ~8 N) i隨著量子計算的不斷進步，精確控制和操縱大量量子比特的能力將變得越來越關鍵。本文介紹的光電子波導技術為這一挑戰(zhàn)提供了有前景的解決方案，為更強大和可擴展的量子系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
" C# q8 J7 B( L
0 V3 p3 z9 U7 w5 d0 U6 Z  r' ~通過結合CMOS制造技術的精確性和創(chuàng)新的光學設計，這些光電子芯片代表了實現實用量子計算機和量子網絡的關鍵一步。可以期待看到串擾減少的進一步改進、主動組件集成的增加，以及更復雜的量子比特控制技術的發(fā)展。
3 Y& S* L7 W  d8 d2 M
- K1 B( ?8 K4 a) D) w& g7 X參考文獻
: H. C% ?9 V6 t[1] C. L. Craft et al., "Low-Crosstalk, Silicon-Fabricated Optical Waveguides for Laser Delivery to Matter Qubits," arXiv:2406.17607v2 [quant-ph], Jun. 2024.
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