光電量子器件研究進(jìn)展綜述

導(dǎo)讀

量子信息科學(xué)開(kāi)啟了超越經(jīng)典物理極限的契機(jī)，從而產(chǎn)生了量子計(jì)算、量子通信與量子精密測(cè)量等前沿技術(shù)領(lǐng)域。其中，量子計(jì)算技術(shù)可以使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)呈指數(shù)級(jí)加速，量子通信技術(shù)保證了通信的高度甚至絕對(duì)安全，而量子精密測(cè)量技術(shù)可以極大地優(yōu)化許多器件或設(shè)備的靈敏度與分辨率。這些潛在的先進(jìn)特征將推動(dòng)量子信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，而發(fā)展的大方向是將量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量等系統(tǒng)連成一體，即構(gòu)建量子信息系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)，使量子科技在下一代信息技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的量子信息系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)，首先必須開(kāi)發(fā)高性能的基礎(chǔ)器件。在各種類(lèi)型的量子器件中，光電器件在量子信息技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵和核心作用。先進(jìn)的微電子、光學(xué)和光電子平臺(tái)能夠制造大多數(shù)量子信息處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)器件。光電技術(shù)無(wú)疑在過(guò)去的十?dāng)?shù)年為量子科技的發(fā)展提供了有力的支撐，將來(lái)還有可能在量子信息領(lǐng)域構(gòu)建完整的產(chǎn)品鏈。

研究背景

目前，相當(dāng)多的光電材料如非線性光學(xué)晶體、半導(dǎo)體、量子點(diǎn)、光子晶體、金剛石、二維材料、鈣鈦礦、超材料等，已被用于各種量子器件，如量子計(jì)算邏輯門(mén)、量子光源、單光子探測(cè)器、量子存儲(chǔ)器、量子信道、量子傳感器等的設(shè)計(jì)和制備。作者團(tuán)隊(duì)也正是以各種光電材料為平臺(tái)，在量子器件領(lǐng)域進(jìn)行了一系列探索、研究和開(kāi)發(fā)。毫無(wú)疑問(wèn)，量子信息科技的實(shí)用化仍然有賴于各類(lèi)量子器件的進(jìn) 一步發(fā)展，例如需要大幅改善光電過(guò)程的相干性、增強(qiáng)量子芯片的魯棒性、提高量子信息網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性等。為了更好地面對(duì)新的挑戰(zhàn)，文章綜述了作者團(tuán)隊(duì)以往的工作，總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)，積累技術(shù)儲(chǔ)備。

主要內(nèi)容

單光子源是量子通信中的基本器件，并且在量子測(cè)量和量子計(jì)算中也有很好的應(yīng)用。在這個(gè)方向上，文章綜述了作者團(tuán)隊(duì)在量子點(diǎn)單光子源、宣布式單光子源和量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等方面的研究工作。包括由亞微米尺度的InP、空氣隙和InGaAsP材料組成的納米柱腔單光子源（如圖1所示），通過(guò)結(jié)合空氣隙和漸變DBR結(jié)構(gòu)，在1.55 μm波段實(shí)現(xiàn)104-105的高品質(zhì)因子和GHz級(jí)比特率的高全同單光子產(chǎn)生，從而證明該納米腔具有作為光纖量子通信用高效量子點(diǎn)單光子源的潛力。

圖1 (a) InGaAsP/InP-airgap納米柱腔的三維視圖；(b)計(jì)算得到的不同條件下的光學(xué)模式譜與光學(xué)能帶結(jié)構(gòu)

量子糾纏光源是量子信息系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵器件，作者團(tuán)隊(duì)近年針對(duì)量子糾纏光源的性能優(yōu)化、集成化以及應(yīng)用等進(jìn)行了多方面的研究。包括基于級(jí)聯(lián)二階非線性過(guò)程的量子糾纏光源等，如圖2所示，在單塊周期極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)中通過(guò)二次諧波產(chǎn)生與自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生通信波段糾纏光子，同時(shí)制備了能量-時(shí)間、頻率片、時(shí)間片等多個(gè)自由度的糾纏光子，這一優(yōu)化方案為量子信息處理提供了一種多自由度高性能的糾纏光子源，可以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 實(shí)現(xiàn)不同自由度糾纏的實(shí)驗(yàn)裝置 (a) 關(guān)聯(lián)光子對(duì)產(chǎn)生光路；(b) 關(guān)聯(lián)光子對(duì)表征光路；(c) 能量-時(shí)間和時(shí)間片糾纏光子對(duì)表征光路；(d) 能量-時(shí)間糾纏光子對(duì)的相干操縱光路；(e) 頻率片糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生和表征光路

單光子探測(cè)器作為量子計(jì)算的讀出機(jī)構(gòu)、量子通信的信號(hào)接收器和量子精密測(cè)量的光子分析設(shè)備，在量子信息處理領(lǐng)域不可或缺。文章重點(diǎn)綜述了作者團(tuán)隊(duì)對(duì)單元/焦平面雪崩單光子探測(cè)器和負(fù)反饋雪崩單光子探測(cè)器的研究工作，并介紹了單光子探測(cè)器在光纖傳感系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用研究。包括通過(guò)優(yōu)化單光子雪崩探測(cè)器（SPAD）讀出電路（ROIC）設(shè)計(jì)，提出的一種高速光子計(jì)數(shù)方法，如圖3所示。該讀出電路采用主動(dòng)淬滅和復(fù)位集成電路（AQR-IC）驅(qū)動(dòng)InGaAs-SPAD，雪崩電壓信號(hào)發(fā)送到FPGA系統(tǒng)以計(jì)算計(jì)數(shù)率，死時(shí)間也由FPGA調(diào)整，提高了雪崩單光子探測(cè)的靈活性。

圖3 SPAD高速讀出電路的 (a) AQR-IC芯片；(b) PCB光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)

量子器件是一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域，除了上述器件外，文章還綜述了作者團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)器、光機(jī)械量子器件和納米光機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)等方面進(jìn)行的研究和探索。包括基于摻鉺光纖的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，使用原子頻率梳量子存儲(chǔ)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了光通信波段光子的高帶寬和多路量子存儲(chǔ)，如圖4所示，為基于多路復(fù)用和寬帶固態(tài)量子存儲(chǔ)器的量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖4 量子存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)論

為了在未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，作者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)研究探索了多種光電量子器件。作為光纖量子通信系統(tǒng)信號(hào)光源的解決方案，設(shè)計(jì)了幾種微納柱型腔-量子點(diǎn)單光子源；運(yùn)用光譜復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高純度、高產(chǎn)率的宣布式單光子源；基于商用GaN材料缺陷的單光子特性，構(gòu)建了室溫工作的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。在PPLN單波導(dǎo)中應(yīng)用級(jí)聯(lián)二階非線性光學(xué)過(guò)程，開(kāi)發(fā)了一種量子糾纏光源，保真度為97%，噪聲抑制水平提高近10倍；微納加工制備Si3N4微環(huán)腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)度超過(guò)99%的芯片集成式量子糾纏光源。發(fā)展雪崩半導(dǎo)體器件工程技術(shù)，優(yōu)化讀出電路設(shè)計(jì)，研制了128×32及以上規(guī)模的SPAD焦平面組件，并用于量子探測(cè)實(shí)驗(yàn)。制備低溫下可同時(shí)存儲(chǔ)1650個(gè)單光子的光纖量子存儲(chǔ)器；探索研究了有望用于量子探測(cè)/傳感的光機(jī)械器件設(shè)計(jì)和NEMS器件制備方法。作者團(tuán)隊(duì)面向各類(lèi)量子光電器件的研究成果，是邁向量子科技實(shí)用化的一步，為未來(lái)構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)支撐。