可扩展的光子量子计算架构需要光子处理设备。此类平台依赖于低损耗、高速、可重构电路和接近确定性的资源状态生成器。在现在发表在《科学进展》杂志上的一份新报告中，PatrikSund和哥本哈根大学混合量子网络中心的研究团队以及明斯特大学开发了一个集成铌酸锂薄膜的光子平台。科学家们使用纳米光子波导中的量子点将该平台与确定性固态单光子源集成在一起。

他们以几千兆赫兹的速度在低损耗电路中处理生成的光子，并通过实验在高速电路上实现了各种关键的光子量子信息处理功能;具有开发四模通用光子电路的固有关键特性。结果表明，通过将集成光子学与固态确定性光子源相结合，可扩展量子技术的发展前景广阔。

集成光子学的量子技术进展

量子技术在过去几年中取得了进步，使量子硬件能够与经典超级计算机竞争并超越其能力。然而，针对各种实际应用大规模调节量子系统以及形成容错量子技术具有挑战性。

光子学提供了一个有前途的平台，可以为远程量子网络解锁可扩展的量子硬件，通过跨多个量子设备和光子电路的互连来进行量子计算和模拟实验。高质量的光子状态和快速、低损耗的可编程电路构成了光子量子技术路由和处理应用的核心思想。研究人员最近开发了固态量子发射器，例如量子点，作为近乎理想、高效的不可区分光子源，以实现按需单光子源。

在这项研究中，Sund及其同事专注于键合在二氧化硅绝缘基板上的单晶铌酸锂薄膜作为一个有前途的平台，因为它们具有强大的电光特性、高透明度和高折射率对比度，可形成集成电路。由于材料的透明度范围各不相同，因此它们非常适合与各种固态量子发射器一起发挥作用，并具有在低温下发挥作用的兼容性。

在这项工作中，该团队首次描述了多模铌酸锂在绝缘体电路上的发展，用于单光子水平的量子信息处理。他们通过使用电路来调节和促进从量子点单光子源发射的光的量子态的功能来实现这一点。该团队将波导集成量子点源发射的单光子注入铌酸锂光路，以展示光子量子信息处理的关键功能，例如可重构通用单一电路上的多光子干涉。

集成光子平台

Sund及其同事展示了用于在绝缘体波导上实现单模铌酸锂的几何结构。他们通过电子束光刻和氩蚀刻在键合在硅基二氧化硅衬底上的铌酸锂薄膜上将光学电路实现为肋形波导。

蚀刻后，他们用氢倍半硅氧烷层包覆波导，并将光子集成电路光学耦合到单模光纤，以提高耦合效率，从而以主动方式将快速光开关和电路与光纤连接起来。材料科学家和工程师使用配有定向耦合器和电可调移相器的Mach-Zehnder干涉仪实现了电光可调波导电路。该团队测试了调制器的高速性能，以评估构建的光子集成电路的能力。

片上量子干涉

在光子量子信息处理过程中，研究人员通过片上鸿欧曼德尔实验研究多光子量子干涉的可见性，以测试光子量子信息处理平台的性能。材料科学家通过使用嵌入光子和电子纳米结构中的自组装砷化铟量子点来生成单光子。

该设备包含一个单面光子晶体波导和一个浅蚀刻波导光栅，用于高效光子生成，以及一个用于电噪声抑制和发射波长调谐的异质二极管。科学家们从量子点发射的单光子流中创建了双光子输入状态，同时使用片外多路分解器分离成对的连续光子，从而允许光子同时到达芯片。然后他们将光子路由到单光子探测器以进行重合探测。

波导传播损耗的测量。光学显微镜图片显示了用于估计LNOI波导传播损耗的螺旋线组。b以dB标度(蓝色方块)绘制的四个螺旋的测量传输。数据被归一化为参考设备的传输，该参考设备仅由两个通过短波导连接的光栅耦合器组成。红线是对实验数据的线性拟合(在对数刻度上)。图片来源：科学进步(2023)。DOI：10.1126/sciadv.adg7268

集成单光子路由器

快速光子路由器在光子量子计算中具有重要意义，它们可以以多种模式安装，用于近确定性函数中的多路复用方案。Sund和他的同事通过旋转发射的光子流来使用确定性量子发射器用于网络方案，以降低光子量子计算架构的成本。

该研究团队在铌酸锂平台上集成了快速移相器，并展示了用于量子点发射光子的片上光子路由器。实验装置中的解复用器包含三个级联在树形矩阵网络中的快速电光MachZehnder干涉仪开关。整个实验电路展示了铌酸锂在绝缘体平台上路由量子点产生的光子的潜力。

通用四模干涉仪

具有可编程组件的多模量子光子干涉仪对于实现光子量子技术的核心功能至关重要，例如多光子门和聚变测量，以实现用于量子计算实验或模拟量子模拟的电路。该团队为此类实验探索了在绝缘体平台上使用量子点-铌酸锂的可能性，并实施了由六个马赫曾德尔干涉仪和十个相位调制器组成的网络设计的干涉仪。然后，科学家们将实验数据的测量分布与理论预测进行了比较。

外表

通过这种方式，PatrikSund及其同事展示了铌酸锂在绝缘体平台上处理来自新兴固态确定性源的光子的前景。该平台可以针对可扩展的量子技术进一步优化。

该团队建议在实验期间使用具有更高折射率的包层以优化结果。绝缘体上的高速铌酸锂量子处理器提供了一种将量子光子技术扩展到光子纳米结构之外的途径——实现大规模容错光子量子计算。

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标签：量子光子电路