硅基集成光量子芯片技術(shù)解析

文章來(lái)源：中國(guó)物理學(xué)會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)可實(shí)用化大規(guī)模光量子計(jì)算與信息處理應(yīng)用方面展示出巨大潛力，并對(duì)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(gè)芯片上集成大量光量子器件，實(shí)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(shì)。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(lái)實(shí)現(xiàn)可實(shí)用化大規(guī)模光量子計(jì)算與信息處理應(yīng)用方面展示出巨大潛力。文章對(duì)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(cè)等技術(shù)，以及面向量子計(jì)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(duì)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(chǔ)、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(jì)算具有天然的并行性及超大的信息存儲(chǔ)能力，在大數(shù)質(zhì)因子分解、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索、生物化學(xué)模擬等應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典的計(jì)算加速。線性光學(xué)量子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(zhǎng)的相干時(shí)間，不容易受到外界環(huán)境干擾而退相干;光子操控相對(duì)容易，利用線性光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)量子態(tài)的編碼、操控、傳輸以及探測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的復(fù)雜量子計(jì)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(tái)上使用分立的體塊線性光學(xué)元件組合搭建形成，通過(guò)波片、透鏡、反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)分立元件容易受到外界環(huán)境中溫度變化、機(jī)械振動(dòng)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(lái)的，2008年英國(guó)布里斯托大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)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(gè)芯片上，不僅實(shí)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(shí)未來(lái)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(shí)現(xiàn)未來(lái)實(shí)用化大規(guī)模、集成化的光量子計(jì)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(shì)，近年來(lái)發(fā)展非常迅速，備受矚目。面向未來(lái)大規(guī)模光量子計(jì)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(jì)算應(yīng)用實(shí)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(jí)的大規(guī)模可編程硅基光量子芯片[2—5]，以及以芯片為核心實(shí)現(xiàn)的軟硬件一體原型系統(tǒng)樣機(jī)[6]被研制出來(lái)，基于這些芯片或系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了豐富的量子計(jì)算與量子信息處理應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，硅基集成光學(xué)技術(shù)在光通信、光計(jì)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(dòng)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(gè)復(fù)雜的光量子芯片也包含不同種類(lèi)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(shí)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(guò)它來(lái)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(hào)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(jiǎn)單緊湊，極限彎曲半徑較小，主要用于一般的無(wú)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(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體代工廠發(fā)布的硅光工藝設(shè)計(jì)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(zhǎng)處的傳輸損耗低至0.3 dB/cm，驗(yàn)證了SOI材料平臺(tái)實(shí)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(shí)，通過(guò)光分束器件實(shí)現(xiàn)光能量、波長(zhǎng)、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(shì)，目前應(yīng)用最為廣泛。Sheng等人在2012年設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，1×8光能量分束器在超過(guò)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(shí)現(xiàn)光子波長(zhǎng)、偏振等自由度的操控。例如，Ding等人在2013年設(shè)計(jì)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(jì)方法[12]設(shè)計(jì)了全新的多功能聚焦波長(zhǎng)分束器[13]和可擴(kuò)展偏振分束器[14]，其中聚焦波長(zhǎng)分束器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光模式的聚焦和光波長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(guò)在芯片端面優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的硅光體系端面耦合器中光場(chǎng)耦合損耗最低可降至0.32 dB/facet，偏振無(wú)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(shí)現(xiàn)光波到芯片的耦合輸入/輸出，具有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、位置布局靈活和對(duì)齊對(duì)準(zhǔn)容差較大的優(yōu)勢(shì)。Ding等人在2013年設(shè)計(jì)了一種啁啾漸變的光子晶體光柵，實(shí)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(shí)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(jì)了具有偏振分束功能的光柵耦合器[18]。

硅光體系可以通過(guò)多種方式實(shí)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(shí)現(xiàn)低功耗條件下的GHz高速光調(diào)制，但光損耗相對(duì)較大(圖1(g))[19]?；诠獠▽?dǎo)上覆蓋電阻發(fā)熱實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的熱光效應(yīng)相移器[20]，調(diào)制速度相對(duì)較慢，但工藝簡(jiǎn)單、尺寸小、功耗低(10—100 mW量級(jí))[21]，且其器件功耗通過(guò)挖槽[22]和波導(dǎo)纏繞[23]等工藝可以降至幾mW量級(jí)(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(duì)較大[24]。通過(guò)調(diào)制器件與光分束器件組合，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x，是硅光量子芯片實(shí)現(xiàn)芯片編程配置的核心器件，是影響計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。2016年Wilkes等人設(shè)計(jì)了基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x[25]，該器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工誤差的有效自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算、量子模擬等應(yīng)用，核心就是要實(shí)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(cè)，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(guò)自發(fā)四波混頻(spontaneous four-wave mixing，SFWM)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)光子的產(chǎn)生(圖2(a))。在SFWM過(guò)程中，兩個(gè)泵浦光子湮滅產(chǎn)生頻率關(guān)聯(lián)的信號(hào)—閑頻光子對(duì)，將其中一個(gè)光子用作預(yù)報(bào)，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)型的單光子源[26—29]。單波長(zhǎng)泵浦SFWM光子源產(chǎn)生的信號(hào)和閑頻光子頻率非簡(jiǎn)并，即頻率不一致[30—33]，而通過(guò)雙波長(zhǎng)泵浦可以產(chǎn)生頻率一致的光子對(duì)[33—36]。常用的光子源結(jié)構(gòu)包括長(zhǎng)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(jì)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(duì)加工精度等的要求也更高。通過(guò)使用包含相移器的微環(huán)光子源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)ζ瞎庾釉吹募兌?、亮度等進(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(duì)[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?，用于產(chǎn)生片上預(yù)報(bào)型全同光子[29]和高維糾纏光子對(duì)[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(guò)相干泵浦多個(gè)單光子源可以方便地實(shí)現(xiàn)路徑糾纏的光子態(tài)制備[5，41]。2019年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)任希峰團(tuán)隊(duì)利用多模硅波導(dǎo)中的SFWM過(guò)程實(shí)現(xiàn)了片上橫模糾纏光子對(duì)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(shí)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(cè)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(guó)布里斯托大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硅基光量子芯片上集成了4個(gè)長(zhǎng)波導(dǎo)光子源，通過(guò)符合探測(cè)8光子實(shí)現(xiàn)了片上4個(gè)預(yù)報(bào)型全同光子，并進(jìn)行了玻色采樣實(shí)驗(yàn)[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(guò)時(shí)域[43，44]、波長(zhǎng)[45]或者空間[46]復(fù)用技術(shù)來(lái)提升預(yù)報(bào)光子率，其關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)在于片上低損的高速光開(kāi)關(guān)等片上器件的實(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)路徑編碼的光子態(tài)[5，33]，通過(guò)片上馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x及相移器的不同組合結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)和橫磁場(chǎng)可以構(gòu)成一組偏振本征態(tài)[53]，通過(guò)偏振控制器件[54—56]實(shí)現(xiàn)偏振編碼量子態(tài)的調(diào)控。多模波導(dǎo)的多個(gè)本征模式也可以用來(lái)編碼量子信息[57，58]，并且實(shí)現(xiàn)了基于模式調(diào)控的受控非門(mén)(controlled-NOT，CNOT)[59]。通過(guò)硅光量子芯片上實(shí)現(xiàn)光延時(shí)線，可以利用光子的時(shí)間自由度實(shí)現(xiàn)時(shí)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(lái)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(lái)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)多自由度高維光量子態(tài)的制備與操控來(lái)提升光量子芯片的信息編碼與處理能力。

針對(duì)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(shì)，如使用偏振和時(shí)間編碼可以保證光量子芯片間通過(guò)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(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)高精度的可編程操控等優(yōu)勢(shì)，目前多用于大規(guī)模集成硅光量子計(jì)算芯片設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)任意幺正變換的大規(guī)?？膳渲镁€性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)通用的量子幺正操作(圖2(e))[62，63]，這類(lèi)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(shí)現(xiàn)通用兩比特計(jì)算[2]、高維量子態(tài)制備[5]、量子邏輯門(mén)[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(jì)算或模擬應(yīng)用中均采用路徑編碼實(shí)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(cè)光子探測(cè)是將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是實(shí)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(cè)器(superconducting nanowire single photon detector，SNSPD)是量子計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域常用的兩種單光子探測(cè)器件，APD可以工作在室溫條件下但探測(cè)效率低。SNSPD可以實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)光到中紅外波段的高探測(cè)效率、低抖動(dòng)時(shí)間、低暗計(jì)數(shù)的單光子探測(cè)，它通過(guò)將納米線冷卻到其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度后實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)，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(shí)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(cè)則是通過(guò)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(cè)器設(shè)備進(jìn)行探測(cè)。將SNSPD與光量子芯片集成的光子探測(cè)正在不斷發(fā)展[68，69]。2012年，通過(guò)將SNSPD直接構(gòu)造在硅波導(dǎo)上的方式，混合集成實(shí)現(xiàn)了硅基芯片光子探測(cè)效率91%、抖動(dòng)時(shí)間18 ps、暗計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)1310 nm波長(zhǎng)38%的探測(cè)效率[70]，為未來(lái)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(cè)集成于單個(gè)芯片的目標(biāo)，光子源、光子線路以及單光子探測(cè)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(guò)毫米級(jí)倒裝工藝實(shí)現(xiàn)了光量子線路和10個(gè)低抖動(dòng)時(shí)間SNSPD的集成，平均探測(cè)效率超過(guò)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(duì)成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，芯片上集成的器件規(guī)模和種類(lèi)都快速增長(zhǎng)，在過(guò)去10余年間，單個(gè)硅基光量子芯片上集成的器件數(shù)目從數(shù)十個(gè)已經(jīng)增長(zhǎng)到數(shù)百個(gè)乃至千級(jí)，顯示出快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖3所示。同時(shí)，通過(guò)對(duì)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(guò)動(dòng)態(tài)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子計(jì)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(shì)，推動(dòng)其在基于光學(xué)系統(tǒng)的量子計(jì)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(shí)間增長(zhǎng)情況

4.1 量子計(jì)算與量子模擬應(yīng)用硅基光量子芯片技術(shù)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光量子計(jì)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(shí)現(xiàn)的SFWM光子源，可以實(shí)現(xiàn)片上糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生與操控[33]，通過(guò)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(shí)現(xiàn)量子光學(xué)幺正操作[29，64]，這使得大規(guī)模可編程的集成化光量子計(jì)算逐漸成為現(xiàn)實(shí)。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(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)通用兩比特硅基光量子計(jì)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(gè)器件，通過(guò)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(jì)算架構(gòu)，在單個(gè)芯片上實(shí)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(cè)量，首次實(shí)現(xiàn)了基于線性光學(xué)系統(tǒng)的通用兩比特量子計(jì)算?；谛酒M(jìn)行了約10萬(wàn)次編程配置，所實(shí)現(xiàn)的98個(gè)兩比特量子門(mén)的平均保真度超過(guò)93%，系統(tǒng)性展示了硅基光量子芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高精度、可編程光量子計(jì)算的可行性。硅基光量子芯片上易于實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了基于四維光子糾纏態(tài)(2-Qudit)的可編程硅光量子計(jì)算芯片，其中每個(gè)Qudit為4維光量子態(tài)，芯片可等效實(shí)現(xiàn)4量子比特的量子計(jì)算應(yīng)用[75]，如圖4(c)所示。同時(shí)，硅基光量子芯片技術(shù)也非常適合通過(guò)對(duì)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(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的方案[76，77]，這為未來(lái)通用可容錯(cuò)光量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

圖4 面向量子計(jì)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(jì)算芯片[2];(b)2-Qutrit硅基光量子芯片[74];(c)2-Qudit硅基光量子計(jì)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(wèn)題應(yīng)用硅基光量子計(jì)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(zhuān)用量子計(jì)算是當(dāng)前量子計(jì)算研究的重要方向，有望比通用量子計(jì)算機(jī)更早地獲得應(yīng)用，面向特定應(yīng)用的專(zhuān)用硅光量子計(jì)算芯片近年來(lái)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與量子模擬應(yīng)用。2018年，王劍威等通過(guò)在硅基光量子芯片上集成了16個(gè)單光子源與光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)演示了高維光量子態(tài)的延遲選擇實(shí)驗(yàn)[78]。Harris等利用硅基光芯片上規(guī)模化集成的馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了量子輸運(yùn)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)?zāi)M[66]。Paesani等在硅基光量子芯片上實(shí)現(xiàn)了8光子的玻色采樣算法及化學(xué)分子動(dòng)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(guò)光子的波長(zhǎng)、偏振和時(shí)間等自由度來(lái)模擬量子系統(tǒng)的自旋、能級(jí)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(jì)、變分量子本征值求解等量子算法被用來(lái)實(shí)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(guò)程映射為特定圖上量子漫步演化過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，演示了拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湎辔籟6]、時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)破缺對(duì)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(shí)現(xiàn)的硅基可編程光量子芯片，實(shí)現(xiàn)了基于圖論的光量子計(jì)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(zhuān)用量子計(jì)算[4]。

采用專(zhuān)用量子計(jì)算模型的大規(guī)模硅基光量子計(jì)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(shí)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(zhuān)用量子計(jì)算模型，可用于量子模擬及量子算法設(shè)計(jì)，特別地通過(guò)將圖論問(wèn)題求解與光子的量子漫步演化過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，量子漫步模型及算法展示出巨大的應(yīng)用潛力?；诹孔勇侥Ｐ偷牧孔铀惴梢杂糜趫D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(wèn)題應(yīng)用。2021年，強(qiáng)曉剛等基于硅基集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)面向圖論問(wèn)題應(yīng)用的可編程硅基光量子芯片，如圖4(e)所示，可實(shí)現(xiàn)通用多粒子量子漫步的可編程動(dòng)態(tài)模擬，能夠同時(shí)對(duì)演化時(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(wèn)題的量子算法求解[3]。在此基礎(chǔ)上，2022年強(qiáng)曉剛與中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)吳俊杰團(tuán)隊(duì)等進(jìn)一步實(shí)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(jí)，并以芯片為核心構(gòu)建了軟硬件一體的全棧式光量子計(jì)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(guò)程以及量子漫步算法，基于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)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(wèn)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(cè)量等量子信息應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了集成化、小型化的技術(shù)途徑?；诠杌饬孔有酒夹g(shù)，多種QKD協(xié)議應(yīng)用被實(shí)現(xiàn)，包括離散變量QKD、連續(xù)變量QKD、測(cè)量設(shè)備無(wú)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(guó)布里斯托大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于硅基光量子芯片技術(shù)實(shí)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(shí)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(duì)實(shí)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)則基于硅基光量子芯片技術(shù)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了與測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)(MDI-QKD)協(xié)議(圖5(c))，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度較短的情況下實(shí)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(cè)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(shí)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(shí)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(duì)，并將其中一個(gè)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(cè)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(cè)量[96]

在硅基光量子芯片上可以實(shí)現(xiàn)光子多自由度的操控及轉(zhuǎn)換，如通過(guò)芯片上路徑編碼與偏振、軌道角動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同光量子芯片間的互連。2016年英國(guó)布里斯托大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用芯片上集成的2維光柵實(shí)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(gè)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(shí)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(duì)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(shí)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(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)單光子編碼的量子態(tài)，還可用于實(shí)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(guò)將零差探測(cè)器(homodyne detector)集成到硅基光量子芯片上，就可以用于量子態(tài)測(cè)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(shí)現(xiàn)了高精度的量子壓縮光測(cè)量，如圖5(e)所示，散粒噪聲極限超過(guò)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(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)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(guò)在單個(gè)芯片上集成化實(shí)現(xiàn)光子的產(chǎn)生、操控以及探測(cè)，為大規(guī)模光量子計(jì)算及量子信息處理實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。硅基光量子芯片在過(guò)去10余年間的集成規(guī)模與計(jì)算能力也快速增長(zhǎng)，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(jì)優(yōu)化，隨著芯片集成規(guī)模的增加，芯片上單個(gè)器件的性能、體積、損耗都對(duì)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(jì)與模擬仿真，當(dāng)前光量子芯片設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)初級(jí)，需要發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)進(jìn)行大規(guī)模硅基光量子芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)現(xiàn)器件的快速精確標(biāo)定，同時(shí)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(shí)用化發(fā)展的重要因素。

硅光集成技術(shù)除了為光量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)帶來(lái)全新的技術(shù)路線，在經(jīng)典光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域也具有巨大應(yīng)用潛力，國(guó)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(dòng)硅基集成光量子芯片技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程發(fā)展。一方面，未來(lái)包含激光器、單光子源、光量子網(wǎng)絡(luò)以及單光子探測(cè)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(shí)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(shí)用化集成光量子計(jì)算與量子信息處理芯片的早日實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅