硅基集成光量子芯片技術(shù)解析

文章來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng) 原文作者：強(qiáng)曉剛? 黃杰 王洋 宋海菁

介紹了光量子芯片在未來實現(xiàn)可實用化大規(guī)模光量子計算與信息處理應(yīng)用方面展示出巨大潛力，并對硅基集成光量子芯片技術(shù)進(jìn)行介紹。

摘要 光量子芯片技術(shù)采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體微納加工工藝，可在單個芯片上集成大量光量子器件，實現(xiàn)量子信息處理應(yīng)用，具有高集成度、高精確度、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢。基于硅基集成光學(xué)技術(shù)的硅基光量子芯片，得益于其CMOS可兼容、非線性效應(yīng)強(qiáng)、超高集成度等特點(diǎn)，在未來實現(xiàn)可實用化大規(guī)模光量子計算與信息處理應(yīng)用方面展示出巨大潛力。文章對硅基集成光量子芯片技術(shù)進(jìn)行介紹，包括硅基集成光學(xué)基礎(chǔ)器件，硅基光量子芯片上光子的產(chǎn)生、操控和探測等技術(shù)，以及面向量子計算及量子信息處理應(yīng)用方面大規(guī)模硅基光量子芯片技術(shù)的近期進(jìn)展，并對面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1引 言

量子信息技術(shù)是遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行信息的編碼、存儲、傳輸、處理等的新型信息技術(shù)。利用量子疊加、干涉以及糾纏等量子物理特性，量子信息技術(shù)展示出超越經(jīng)典信息技術(shù)的巨大應(yīng)用潛力，例如量子計算具有天然的并行性及超大的信息存儲能力，在大數(shù)質(zhì)因子分解、數(shù)據(jù)庫搜索、生物化學(xué)模擬等應(yīng)用中可實現(xiàn)超越經(jīng)典的計算加速。線性光學(xué)量子系統(tǒng)是實現(xiàn)量子計算等量子信息應(yīng)用的主要物理途徑之一，它的主要特點(diǎn)包括：光子具有很長的相干時間，不容易受到外界環(huán)境干擾而退相干;光子操控相對容易，利用線性光學(xué)元件可以實現(xiàn)對單光子的高精度操控;光子的多自由度可以用于編碼高維度量子信息;能夠在室溫下工作等?；诰€性光學(xué)量子系統(tǒng)，將單光子作為量子信息單元的載體，可以實現(xiàn)量子態(tài)的編碼、操控、傳輸以及探測，進(jìn)而實現(xiàn)不同的復(fù)雜量子計算與量子信息處理應(yīng)用。

傳統(tǒng)上線性光學(xué)量子系統(tǒng)大都為分立元件系統(tǒng)，即在光學(xué)平臺上使用分立的體塊線性光學(xué)元件組合搭建形成，通過波片、透鏡、反射鏡等光學(xué)元件實現(xiàn)對光子的操控。分立元件量子光學(xué)系統(tǒng)不僅體積巨大，而且各個分立元件容易受到外界環(huán)境中溫度變化、機(jī)械振動等諸多因素的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性都受到很大的制約。集成光量子芯片技術(shù)就是為了克服分立元件量子光學(xué)系統(tǒng)的這些不足所提出來的，2008年英國布里斯托大學(xué)研究團(tuán)隊首次實驗演示了集成光量子芯片技術(shù)[1]。借助于傳統(tǒng)半導(dǎo)體微納加工工藝，集成光量子芯片技術(shù)可將光學(xué)元件以薄膜形式集成到單個芯片上，不僅實現(xiàn)了線性光學(xué)量子系統(tǒng)的集成化，而且具有更高的精確度、更高的穩(wěn)定性及更好的可擴(kuò)展性，同時未來批量化生產(chǎn)也將使成本大大降低。因此，集成光量子芯片技術(shù)為實現(xiàn)未來實用化大規(guī)模、集成化的光量子計算與光量子信息處理應(yīng)用提供了非?？尚械募夹g(shù)途徑。

集成光量子芯片的常用材料體系包括硅、氮化硅、二氧化硅、鈮酸鋰薄膜等多種材料體系?；诠杌牧象w系，特別是絕緣體上硅(siliconon-insulator，SOI)材料的集成光量子芯片技術(shù)，得益于其CMOS工藝可兼容、非線性效應(yīng)強(qiáng)、集成密度高、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，近年來發(fā)展非常迅速，備受矚目。面向未來大規(guī)模光量子計算與量子信息處理應(yīng)用，硅基集成光量子芯片技術(shù)在器件集成規(guī)模、量子計算應(yīng)用實現(xiàn)等方面取得了一系列進(jìn)展，展示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前整體上硅基光量子芯片已廣泛采用130 nm或更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行芯片加工。一系列器件數(shù)目達(dá)到數(shù)百乃至千級的大規(guī)?？?a target="_blank">編程硅基光量子芯片[2—5]，以及以芯片為核心實現(xiàn)的軟硬件一體原型系統(tǒng)樣機(jī)[6]被研制出來，基于這些芯片或系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了豐富的量子計算與量子信息處理應(yīng)用的實驗驗證。此外，硅基集成光學(xué)技術(shù)在光通信、光計算等經(jīng)典信息領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用，這些需求共同推動了當(dāng)前硅基集成光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。

2硅基集成光學(xué)基礎(chǔ)器件

與分立元件線性光學(xué)系統(tǒng)是由波片、分束器、透鏡、反射鏡等各種基礎(chǔ)元件組合而成一樣，一個復(fù)雜的光量子芯片也包含不同種類的集成化光學(xué)器件。硅材料具有很強(qiáng)的三階非線性效應(yīng)和緊致模式約束特性，利用半導(dǎo)體微納加工工藝，可以實現(xiàn)高密度片上集成的光量子芯片基礎(chǔ)器件，如光波導(dǎo)、光分束器、光耦合器、光調(diào)制器等，如圖1所示。

圖1 硅基集成光學(xué)基礎(chǔ)器件 (a)條型光波導(dǎo);(b)脊型光波導(dǎo);(c)1×2光分束器;(d)陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器;(e)端面耦合器;(f)光柵耦合器;(g)電光效應(yīng)調(diào)制器;(h)熱光效應(yīng)調(diào)制器

光量子芯片上最基礎(chǔ)的器件是光波導(dǎo)，通過它來連接片上集成的其他光學(xué)器件，光波導(dǎo)性能直接決定光信號的傳輸質(zhì)量。常用的光波導(dǎo)有條型波導(dǎo)、脊型波導(dǎo)，其中條型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，極限彎曲半徑較小，主要用于一般的無源光器件(圖1(a));脊型波導(dǎo)具有較大的橫向尺寸，能夠以較低的耦合損耗與單模光纖進(jìn)行端面耦合，被廣泛使用在有源光器件中(圖1(b))。目前，國內(nèi)外主要半導(dǎo)體代工廠發(fā)布的硅光工藝設(shè)計工具包(process design kit，PDK)中條形光波導(dǎo)的損耗約為1.5 dB/cm，隨著硅光微納加工技術(shù)的進(jìn)步，光波導(dǎo)加工精度和損耗水平還在不斷提升。Cardenas等人采用選擇性氧化技術(shù)制備了側(cè)壁寬度變化僅為0.3 nm的超光滑光波導(dǎo)[7]，該波導(dǎo)在1.55 μm波長處的傳輸損耗低至0.3 dB/cm，驗證了SOI材料平臺實現(xiàn)極低損耗光波導(dǎo)的可能性。

光或光子在芯片光波導(dǎo)中傳輸時，通過光分束器件實現(xiàn)光能量、波長、偏振等的路由、分束及合束功能。常用的光分束器結(jié)構(gòu)包括多模干涉耦合器(multimode interferometer，MMI)、定向耦合器或Y分支結(jié)構(gòu)等。MMI結(jié)構(gòu)由于具有帶寬大和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，目前應(yīng)用最為廣泛。Sheng等人在2012年設(shè)計實現(xiàn)的1×2 MMI光能量分束器，其損耗約為0.06 dB(圖1(c))[8]。Yao等人在2021年采用粒子群算法對多通道MMI光能量分束器的輸入輸出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[9]，獲得了良好的均勻性和較低的損耗，實驗測試結(jié)果表明，1×8光能量分束器在超過100 nm帶寬范圍內(nèi)，一致性為0.19—0.83 dB?；诠夥质鞯募晒饬孔有酒ǚ謴?fù)用器[10]和偏振控制器[11]也被廣泛研究(圖1(d))，可分別用于實現(xiàn)光子波長、偏振等自由度的操控。例如，Ding等人在2013年設(shè)計了基于漸變波導(dǎo)和MMI結(jié)構(gòu)的偏振分束旋轉(zhuǎn)器[11]，最小插入損耗為0.6 dB。為進(jìn)一步提高器件性能，縮小器件尺寸，拓展器件功能和用途，Huang等人利用逆向設(shè)計方法[12]設(shè)計了全新的多功能聚焦波長分束器[13]和可擴(kuò)展偏振分束器[14]，其中聚焦波長分束器可以同時實現(xiàn)光模式的聚焦和光波長的分束，可擴(kuò)展偏振分束器則能在0.48 μm×6.4 μm的器件尺寸下實現(xiàn)C波段、L波段和O波段的光偏振分束。

光耦合器則主要用于實現(xiàn)芯片與外部器件的互連，常用的光耦合器包括端面耦合器和光柵耦合器(圖1(e)，(f))。其中端面耦合器是通過在芯片端面優(yōu)化設(shè)計漸變耦合結(jié)構(gòu)，具有耦合光偏振不敏感和耦合帶寬大的優(yōu)點(diǎn)，Cheben等人2015年實現(xiàn)的硅光體系端面耦合器中光場耦合損耗最低可降至0.32 dB/facet，偏振無關(guān)耦合帶寬大于100 nm[15]。光柵耦合器是利用特定的光柵結(jié)構(gòu)以一定垂直角度實現(xiàn)光波到芯片的耦合輸入/輸出，具有設(shè)計實現(xiàn)簡單、位置布局靈活和對齊對準(zhǔn)容差較大的優(yōu)勢。Ding等人在2013年設(shè)計了一種啁啾漸變的光子晶體光柵，實現(xiàn)了1.74 dB/facet的超低損耗[16]。目前光柵耦合器的用途也在不斷擴(kuò)展，如二維光柵耦合器可以實現(xiàn)偏振自由度與路徑自由度的轉(zhuǎn)換[17]，Sun等人在2023年設(shè)計了具有偏振分束功能的光柵耦合器[18]。

硅光體系可以通過多種方式實現(xiàn)光調(diào)制/相移器件?；诘入x子體色散效應(yīng)的載流子耗盡型電光效應(yīng)調(diào)制器，可實現(xiàn)低功耗條件下的GHz高速光調(diào)制，但光損耗相對較大(圖1(g))[19]?；诠獠▽?dǎo)上覆蓋電阻發(fā)熱實現(xiàn)相位調(diào)制的熱光效應(yīng)相移器[20]，調(diào)制速度相對較慢，但工藝簡單、尺寸小、功耗低(10—100 mW量級)[21]，且其器件功耗通過挖槽[22]和波導(dǎo)纏繞[23]等工藝可以降至幾mW量級(圖1(h))。此外，基于光波導(dǎo)物理形變效應(yīng)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)調(diào)制器光學(xué)損耗低，但工藝復(fù)雜且器件尺寸相對較大[24]。通過調(diào)制器件與光分束器件組合，可以進(jìn)一步實現(xiàn)馬赫—曾德爾干涉儀，是硅光量子芯片實現(xiàn)芯片編程配置的核心器件，是影響計算精度的關(guān)鍵因素。2016年Wilkes等人設(shè)計了基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的馬赫—曾德爾干涉儀[25]，該器件可實現(xiàn)對加工誤差的有效自動補(bǔ)償，實現(xiàn)了大于60 dB的消光比。

3硅基光量子芯片的主要組成

前文介紹的基礎(chǔ)器件為實現(xiàn)硅基光量子芯片提供了最基本的器件基礎(chǔ)，利用這些基礎(chǔ)器件實現(xiàn)大規(guī)模的量子計算、量子模擬等應(yīng)用，核心就是要實現(xiàn)硅基光量子芯片上的光子產(chǎn)生、光子操控以及光子探測，下面進(jìn)行具體的介紹。

3.1 硅基光量子芯片上的光子產(chǎn)生硅波導(dǎo)具有很強(qiáng)的三階非線性效應(yīng)，在硅基光量子芯片上可以通過自發(fā)四波混頻(spontaneous four-wave mixing，SFWM)過程來實現(xiàn)光子的產(chǎn)生(圖2(a))。在SFWM過程中，兩個泵浦光子湮滅產(chǎn)生頻率關(guān)聯(lián)的信號—閑頻光子對，將其中一個光子用作預(yù)報，就可以實現(xiàn)預(yù)報型的單光子源[26—29]。單波長泵浦SFWM光子源產(chǎn)生的信號和閑頻光子頻率非簡并，即頻率不一致[30—33]，而通過雙波長泵浦可以產(chǎn)生頻率一致的光子對[33—36]。常用的光子源結(jié)構(gòu)包括長直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，前者常設(shè)計成“蚊香”狀(圖2(b))，所生成的光子頻譜寬，而后者占用片上面積更少(圖2(c))，所生成的光子頻譜窄，但對加工精度等的要求也更高。通過使用包含相移器的微環(huán)光子源結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠?qū)ζ瞎庾釉吹募兌取⒘炼鹊冗M(jìn)行提升[37—40]，也能夠用于產(chǎn)生片上可配置的糾纏光子對[2，3]。得益于SOI微納加工工藝，片上集成的SFWM單光子源通?？梢员３趾芎玫囊恢滦裕糜诋a(chǎn)生片上預(yù)報型全同光子[29]和高維糾纏光子對[5]。糾纏光子源是量子光學(xué)研究和光量子信息技術(shù)應(yīng)用的重要資源，在硅基光量子芯片上，通過相干泵浦多個單光子源可以方便地實現(xiàn)路徑糾纏的光子態(tài)制備[5，41]。2019年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)任希峰團(tuán)隊利用多模硅波導(dǎo)中的SFWM過程實現(xiàn)了片上橫模糾纏光子對源，橫模糾纏可以相干轉(zhuǎn)換為路徑糾纏和偏振糾纏，這為片上實現(xiàn)高維多自由度量子態(tài)提供了新途徑[42]。

圖2 硅基光量子芯片功能模塊 (a)自發(fā)四波混頻;(b)螺旋結(jié)構(gòu)光子源;(c)不等臂干涉儀耦合微環(huán)光子源;(d)不同編碼自由度;(e)路徑編碼量子態(tài)制備和操控;(f)硅基芯片集成超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)示意圖

光量子芯片上多光子產(chǎn)生技術(shù)正在不斷發(fā)展。2019年，英國布里斯托大學(xué)團(tuán)隊在硅基光量子芯片上集成了4個長波導(dǎo)光子源，通過符合探測8光子實現(xiàn)了片上4個預(yù)報型全同光子，并進(jìn)行了玻色采樣實驗[29]?；赟FWM效應(yīng)的光子源只能概率性地產(chǎn)生光子，產(chǎn)生效率較低，但可以通過時域[43，44]、波長[45]或者空間[46]復(fù)用技術(shù)來提升預(yù)報光子率，其關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)在于片上低損的高速光開關(guān)等片上器件的實現(xiàn)。此外，固態(tài)單光子源如色心、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等光子源方案原理上可以確定性地產(chǎn)生單光子，固態(tài)單光子源與硅基光波導(dǎo)的集成也是目前正在快速發(fā)展的片上單光子源實現(xiàn)途徑[47—52]。

3.2 硅基光量子芯片上的光子操控光子具有偏振、模式、路徑、時間、頻率等多種自由度可以用于編碼量子態(tài)。在硅基光量子芯片上，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光子的多種自由度進(jìn)行量子態(tài)編碼與操控。利用光子在并行傳輸?shù)亩喔獠▽?dǎo)中的路徑信息可實現(xiàn)路徑編碼的光子態(tài)[5，33]，通過片上馬赫—曾德爾干涉儀及相移器的不同組合結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)對路徑編碼量子態(tài)的任意調(diào)控(圖2(d))[2]。波導(dǎo)中的橫電場和橫磁場可以構(gòu)成一組偏振本征態(tài)[53]，通過偏振控制器件[54—56]實現(xiàn)偏振編碼量子態(tài)的調(diào)控。多模波導(dǎo)的多個本征模式也可以用來編碼量子信息[57，58]，并且實現(xiàn)了基于模式調(diào)控的受控非門(controlled-NOT，CNOT)[59]。通過硅光量子芯片上實現(xiàn)光延時線，可以利用光子的時間自由度實現(xiàn)時分編碼(time-bin)的量子態(tài)制備與操控[60]。光學(xué)諧振腔可以用來產(chǎn)生編碼光子態(tài)的頻率本征態(tài)[61]。在光量子芯片上，還可以將多種自由度操控結(jié)合起來，通過實現(xiàn)多自由度高維光量子態(tài)的制備與操控來提升光量子芯片的信息編碼與處理能力。

針對不同的量子信息應(yīng)用，使用不同的編碼自由度可以更好地發(fā)揮優(yōu)勢，如使用偏振和時間編碼可以保證光量子芯片間通過光纖進(jìn)行量子信息傳輸?shù)聂敯粜裕窂骄幋a則由于設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)高精度的可編程操控等優(yōu)勢，目前多用于大規(guī)模集成硅光量子計算芯片設(shè)計。在硅光量子芯片上使用路徑編碼量子態(tài)可在片上構(gòu)建可實現(xiàn)任意幺正變換的大規(guī)模可配置線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)通用的量子幺正操作(圖2(e))[62，63]，這類片上可配置光學(xué)網(wǎng)絡(luò)主要分為三角形架構(gòu)[62，64]和正方形架構(gòu)[63，65]。在大規(guī)模硅光量子芯片上實現(xiàn)通用兩比特計算[2]、高維量子態(tài)制備[5]、量子邏輯門[64]、量子漫步[3]、量子模擬[65，66]、玻色采樣[29]、深度學(xué)習(xí)[67]等一系列量子計算或模擬應(yīng)用中均采用路徑編碼實現(xiàn)的可配置光學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

3.3 硅基光量子芯片上的光子探測光子探測是將光子信號轉(zhuǎn)換成電信號，是實現(xiàn)量子態(tài)信息讀取的重要步驟。雪崩光電二極管(avalanche photodiodes，APD)和超導(dǎo)納米線單光子探測器(superconducting nanowire single photon detector，SNSPD)是量子計算、量子通信等領(lǐng)域常用的兩種單光子探測器件，APD可以工作在室溫條件下但探測效率低。SNSPD可以實現(xiàn)從可見光到中紅外波段的高探測效率、低抖動時間、低暗計數(shù)的單光子探測，它通過將納米線冷卻到其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度后實現(xiàn)光子探測，因此工作溫度通常在1.5—4 K。目前絕大多數(shù)光量子芯片僅單片集成實現(xiàn)了片上光子產(chǎn)生與光量子態(tài)的編碼和操控，而光子探測則是通過光纖與片上集成的光耦合器進(jìn)行耦合，將光子導(dǎo)入外部的單光子探測器設(shè)備進(jìn)行探測。將SNSPD與光量子芯片集成的光子探測正在不斷發(fā)展[68，69]。2012年，通過將SNSPD直接構(gòu)造在硅波導(dǎo)上的方式，混合集成實現(xiàn)了硅基芯片光子探測效率91%、抖動時間18 ps、暗計數(shù)50 Hz的優(yōu)異性能(圖2(f))[68]。

除了工作在低溫環(huán)境的SNSPD，近期硅上鍺波導(dǎo)耦合的APD在125 K溫度下實現(xiàn)了對1310 nm波長38%的探測效率[70]，為未來室溫條件下的集成光量子應(yīng)用提供了可能性。另一方面，瞄準(zhǔn)光子產(chǎn)生、操控以及探測集成于單個芯片的目標(biāo)，光子源、光子線路以及單光子探測器的全集成光量子芯片也在快速發(fā)展[71—73]，目前已經(jīng)通過毫米級倒裝工藝實現(xiàn)了光量子線路和10個低抖動時間SNSPD的集成，平均探測效率超過10%[72]。

4大規(guī)模硅基集成光量子芯片進(jìn)展

硅基集成光量子芯片受益于硅基集成工藝相對成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，芯片上集成的器件規(guī)模和種類都快速增長，在過去10余年間，單個硅基光量子芯片上集成的器件數(shù)目從數(shù)十個已經(jīng)增長到數(shù)百個乃至千級，顯示出快速的增長趨勢，如圖3所示。同時，通過對芯片上大量集成的相移器、調(diào)制器等可配置器件進(jìn)行操控，硅基光量子芯片可以通過動態(tài)編程來實現(xiàn)復(fù)雜的量子計算與量子信息處理等任務(wù)。硅基光量子芯片技術(shù)的大規(guī)模集成、可編程配置等優(yōu)勢，推動其在基于光學(xué)系統(tǒng)的量子計算、量子模擬以及量子信息處理等應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展。

圖3 硅基光量子芯片集成器件數(shù)目隨時間增長情況

4.1 量子計算與量子模擬應(yīng)用硅基光量子芯片技術(shù)為實現(xiàn)大規(guī)模光量子計算應(yīng)用提供了有效的技術(shù)途徑，利用硅基光波導(dǎo)非線性效應(yīng)實現(xiàn)的SFWM光子源，可以實現(xiàn)片上糾纏光子對的產(chǎn)生與操控[33]，通過編程配置片上集成的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)就可以制備光量子態(tài)、實現(xiàn)量子光學(xué)幺正操作[29，64]，這使得大規(guī)?？删幊痰募苫饬孔佑嬎阒饾u成為現(xiàn)實。2018年，軍事科學(xué)院強(qiáng)曉剛等基于大規(guī)模硅基集成光學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了國際首個通用兩比特硅基光量子計算芯片[2]，如圖4(a)所示，芯片上集成了包括單光子源、濾波器、熱光相移器、光分束器、光耦合器等200多個器件，通過使用幺正算符疊加與高維光量子態(tài)編碼結(jié)合的量子計算架構(gòu)，在單個芯片上實現(xiàn)了糾纏光子的產(chǎn)生、光量子態(tài)制備、操控以及投影測量，首次實現(xiàn)了基于線性光學(xué)系統(tǒng)的通用兩比特量子計算。基于芯片進(jìn)行了約10萬次編程配置，所實現(xiàn)的98個兩比特量子門的平均保真度超過93%，系統(tǒng)性展示了硅基光量子芯片技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模、高精度、可編程光量子計算的可行性。硅基光量子芯片上易于實現(xiàn)高維光量子態(tài)編碼與操控的特點(diǎn)，為片上光子資源受限情況下不斷提升芯片量子計算能力提供了基礎(chǔ)。利用片上路徑編碼的高維光量子態(tài)的編碼與操控，2020年南京大學(xué)馬小松等基于硅基光量子芯片實現(xiàn)了雙光子三維糾纏態(tài)(2-Qutrit)并演示了多種量子信息應(yīng)用[74]，如圖4(b)所示。2022年北京大學(xué)王劍威等進(jìn)一步實現(xiàn)了基于四維光子糾纏態(tài)(2-Qudit)的可編程硅光量子計算芯片，其中每個Qudit為4維光量子態(tài)，芯片可等效實現(xiàn)4量子比特的量子計算應(yīng)用[75]，如圖4(c)所示。同時，硅基光量子芯片技術(shù)也非常適合通過對預(yù)先制備的大規(guī)模糾纏量子態(tài)中的量子比特進(jìn)行逐次測量來實現(xiàn)通用量子計算的方案[76，77]，這為未來通用可容錯光量子計算奠定了基礎(chǔ)。

圖4 面向量子計算與量子模擬的大規(guī)模硅基光量子芯片 (a)通用兩比特硅基光量子計算芯片[2];(b)2-Qutrit硅基光量子芯片[74];(c)2-Qudit硅基光量子計算芯片[75];(d)面向玻色采樣任務(wù)的硅基光量子芯片[29];(e)通用量子漫步模擬硅基光量子芯片[3];(f)軟硬件一體的圖論問題應(yīng)用硅基光量子計算芯片原型系統(tǒng)[6]

面向量子模擬、人工智能等特定領(lǐng)域的專用量子計算是當(dāng)前量子計算研究的重要方向，有望比通用量子計算機(jī)更早地獲得應(yīng)用，面向特定應(yīng)用的專用硅光量子計算芯片近年來取得不少進(jìn)展。在量子模擬方面，大規(guī)模集成的硅基光量子芯片能夠構(gòu)建復(fù)雜量子光學(xué)系統(tǒng)，從而用于實現(xiàn)復(fù)雜的量子物理實驗驗證與量子模擬應(yīng)用。2018年，王劍威等通過在硅基光量子芯片上集成了16個單光子源與光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，實驗實現(xiàn)了雙光子高維路徑糾纏量子態(tài)的制備與操控[5]，并基于硅基光量子芯片實驗演示了高維光量子態(tài)的延遲選擇實驗[78]。Harris等利用硅基光芯片上規(guī)?；傻鸟R赫—曾德爾干涉儀網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了量子輸運(yùn)現(xiàn)象的實驗?zāi)M[66]。Paesani等在硅基光量子芯片上實現(xiàn)了8光子的玻色采樣算法及化學(xué)分子動態(tài)演化模擬[29]，如圖4(d)所示。在光量子芯片上還可以通過光子的波長、偏振和時間等自由度來模擬量子系統(tǒng)的自旋、能級和相互作用等特性。利用可編程的硅基光量子芯片，量子相位估計、變分量子本征值求解等量子算法被用來實現(xiàn)分子哈密頓量特征值、特征向量等信息的求解[41，79，80]。將目標(biāo)哈密頓量的演化過程映射為特定圖上量子漫步演化過程的量子漫步模型量子模擬算法也在硅基光量子芯片上進(jìn)行了實驗驗證，演示了拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湎辔籟6]、時間反演對稱破缺對量子輸運(yùn)增強(qiáng)等的模擬[65]。2023年，王劍威等基于量子圖糾纏態(tài)理論實現(xiàn)的硅基可編程光量子芯片，實現(xiàn)了基于圖論的光量子計算和信息處理功能、多光子高維量子糾纏制備以及可編程玻色采樣專用量子計算[4]。

采用專用量子計算模型的大規(guī)模硅基光量子計算芯片在大數(shù)據(jù)處理、人工智能領(lǐng)域中也展示出顯著的應(yīng)用潛力。2019年，Steinbrecher等提出一種光量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將機(jī)器學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征映射到量子光學(xué)領(lǐng)域[81]。2022年，Zhang等在硅基光量子芯片上采用量子自編碼器，實現(xiàn)了高維量子態(tài)的壓縮和隱形傳態(tài)[82]。量子漫步(quantum walk，QW)作為一種專用量子計算模型，可用于量子模擬及量子算法設(shè)計，特別地通過將圖論問題求解與光子的量子漫步演化過程聯(lián)系起來，量子漫步模型及算法展示出巨大的應(yīng)用潛力。基于量子漫步模型的量子算法可以用于圖頂點(diǎn)搜索[83，84]、圖節(jié)點(diǎn)中心度排序[85，86]、圖同構(gòu)判定[87]等圖論問題應(yīng)用。2021年，強(qiáng)曉剛等基于硅基集成光學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了國際首個面向圖論問題應(yīng)用的可編程硅基光量子芯片，如圖4(e)所示，可實現(xiàn)通用多粒子量子漫步的可編程動態(tài)模擬，能夠同時對演化時間、哈密頓量、粒子全同性及交換特性等量子漫步演化要素進(jìn)行完全調(diào)控，實驗實現(xiàn)了最大25節(jié)點(diǎn)圖上的頂點(diǎn)搜索、圖同構(gòu)判定等圖論問題的量子算法求解[3]。在此基礎(chǔ)上，2022年強(qiáng)曉剛與中國人民解放軍國防科技大學(xué)吳俊杰團(tuán)隊等進(jìn)一步實現(xiàn)了規(guī)模更大的可編程硅基光量子芯片，芯片集成器件規(guī)模達(dá)到千級，并以芯片為核心構(gòu)建了軟硬件一體的全棧式光量子計算系統(tǒng)，可模擬最大節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)400的圖上的任意量子漫步演化過程以及量子漫步算法，基于系統(tǒng)實驗實現(xiàn)了數(shù)百節(jié)點(diǎn)規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的圖論問題量子算法求解[6]，如圖4(f)所示。

4.2 量子信息處理應(yīng)用集成光量子芯片技術(shù)同樣為量子密鑰分發(fā)(quantum key distribution，QKD)、量子糾纏分發(fā)、量子精密測量等量子信息應(yīng)用的實現(xiàn)提供了集成化、小型化的技術(shù)途徑。基于硅基光量子芯片技術(shù)，多種QKD協(xié)議應(yīng)用被實現(xiàn)，包括離散變量QKD、連續(xù)變量QKD、測量設(shè)備無關(guān)QKD以及高維QKD協(xié)議等，展示出硅基光量子芯片技術(shù)在QKD領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。2017年，英國布里斯托大學(xué)團(tuán)隊基于硅基光量子芯片技術(shù)實現(xiàn)了多種QKD協(xié)議，包括相干單向(coherent-one-way，COW)QKD、偏振編碼BB84QKD以及時間編碼BB84QKD協(xié)議(圖5(a))[88]。2019年，新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊實現(xiàn)了基于硅基光量子芯片的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)(CV-QKD，圖5(b))[89]。2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊則基于硅基光量子芯片技術(shù)，實驗實現(xiàn)了與測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)協(xié)議(圖5(c))，實驗演示的通信碼率可達(dá)1.25 GHz[90]。Ding等基于硅基光量子芯片和多芯光纖，實驗演示了基于空分復(fù)用的高維量子密鑰分發(fā)協(xié)議，該方案可以在光纖長度較短的情況下實現(xiàn)高速、高效、高保真的高維量子密鑰分發(fā)[60]。

圖5 面向量子通信與量子測量的硅基光量子芯片 (a)面向相干單向QKD、偏振編碼BB84QKD以及時間編碼BB84QKD協(xié)議的硅基光量子芯片[88];(b)面向連續(xù)變量QKD的硅基光量子芯片[89];(c)面向MDI-QKD的硅基光量子芯片[90];(d)硅基光量子芯片間實現(xiàn)光子態(tài)傳輸與糾纏分發(fā)[91]，其中芯片A產(chǎn)生路徑糾纏光子對，并將其中一個光子轉(zhuǎn)化為偏振編碼后經(jīng)光纖傳輸至芯片B，芯片B將接收到的偏振編碼光子態(tài)轉(zhuǎn)換為路徑編碼并進(jìn)行投影測量，左下角蚊香狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為片上四波混頻光子源器件;(e)基于硅基及硅上鍺材料光量子芯片的量子壓縮光測量[96]

在硅基光量子芯片上可以實現(xiàn)光子多自由度的操控及轉(zhuǎn)換，如通過芯片上路徑編碼與偏振、軌道角動量等編碼量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)光量子糾纏態(tài)在不同芯片間的傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)不同光量子芯片間的互連。2016年英國布里斯托大學(xué)團(tuán)隊利用芯片上集成的2維光柵實現(xiàn)了路徑編碼光量子態(tài)到偏振編碼光量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，展示了兩個硅基光量子芯片間高保真度的糾纏分發(fā)與光量子態(tài)操控[91]。目前基于硅基光量子芯片技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)芯片間的高維度量子隱形傳態(tài)、多光子量子糾纏[92，93]。2022年，新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊在硅光量子芯片上集成量子自編碼器和解碼器功能，以壓縮—傳輸—解壓縮的方式實現(xiàn)了3維光量子態(tài)的壓縮傳輸和量子隱形傳態(tài)[82]。這些進(jìn)展為未來光量子信息網(wǎng)絡(luò)及分布式量子信息處理奠定了基礎(chǔ)[94]。

硅基光量子芯片可在片上實現(xiàn)量子糾纏態(tài)的生成與精確操控，如圖5(d)所示，不僅可以實現(xiàn)單光子編碼的量子態(tài)，還可用于實現(xiàn)壓縮態(tài)操控，從而為高精度、高靈敏度、高穩(wěn)定的光學(xué)傳感提供了新的途徑，以及用于量子隨機(jī)數(shù)生成器、量子傳感器等應(yīng)用中。例如通過將零差探測器(homodyne detector)集成到硅基光量子芯片上，就可以用于量子態(tài)測量和隨機(jī)數(shù)生成[95]。2020年，Tasker等基于硅基及硅上鍺等光量子芯片技術(shù)實現(xiàn)了高精度的量子壓縮光測量，如圖5(e)所示，散粒噪聲極限超過9 GHz[96]。Payne等提出了一種硅和氮化硅光波導(dǎo)異質(zhì)集成的光子溫度傳感芯片，有望實現(xiàn)高精度的溫度測量[97]。

5總結(jié)與展望

硅基集成光量子芯片技術(shù)以傳統(tǒng)硅基集成工藝為基礎(chǔ)，通過在單個芯片上集成化實現(xiàn)光子的產(chǎn)生、操控以及探測，為大規(guī)模光量子計算及量子信息處理實現(xiàn)提供了有效途徑。硅基光量子芯片在過去10余年間的集成規(guī)模與計算能力也快速增長，展示出了巨大的應(yīng)用潛力。大規(guī)模硅基集成光量子芯片的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：一是核心器件的設(shè)計優(yōu)化，隨著芯片集成規(guī)模的增加，芯片上單個器件的性能、體積、損耗都對芯片整體性能產(chǎn)生影響，需要發(fā)展更高性能、更小體積、更低損耗的光量子器件;二是大規(guī)模硅基光量子芯片優(yōu)化設(shè)計與模擬仿真，當(dāng)前光量子芯片設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行，計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)相對初級，需要發(fā)展計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)來進(jìn)行大規(guī)模硅基光量子芯片的優(yōu)化設(shè)計與模擬仿真;三是大規(guī)模硅基光量子芯片的器件標(biāo)定與封裝測試，芯片器件的精確標(biāo)定直接影響著光量子芯片的整體性能，隨著芯片規(guī)模的不斷增大，需要實現(xiàn)器件的快速精確標(biāo)定，同時芯片的光電封裝技術(shù)以及與電子控制芯片的混合封裝等也是影響硅基光量子芯片實用化發(fā)展的重要因素。

硅光集成技術(shù)除了為光量子計算實現(xiàn)帶來全新的技術(shù)路線，在經(jīng)典光通信、光計算等領(lǐng)域也具有巨大應(yīng)用潛力，國內(nèi)外傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商和研究機(jī)構(gòu)也不斷加速硅光集成工藝方面的研究，進(jìn)一步地推動硅基集成光量子芯片技術(shù)的實用化進(jìn)程發(fā)展。一方面，未來包含激光器、單光子源、光量子網(wǎng)絡(luò)以及單光子探測等功能，以及與硅基電子芯片混合集成的全系統(tǒng)集成硅基光量子芯片隨著技術(shù)的發(fā)展有望得到實現(xiàn);另一方面，突破單一材料體系限制，結(jié)合多種材料體系的異質(zhì)集成光量子芯片技術(shù)也在不斷發(fā)展，有望發(fā)揮不同材料體系的特性與優(yōu)點(diǎn)，共同推進(jìn)大規(guī)模實用化集成光量子計算與量子信息處理芯片的早日實現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅