導(dǎo)讀

量子信息科學(xué)開啟了超越經(jīng)典物理極限的契機，從而產(chǎn)生了量子計算、量子通信與量子精密測量等前沿技術(shù)領(lǐng)域。其中，量子計算技術(shù)可以使計算機的運算速度相較于經(jīng)典計算機呈指數(shù)級加速，量子通信技術(shù)保證了通信的高度甚至絕對安全，而量子精密測量技術(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。這些潛在的先進特征將推動量子信息技術(shù)在各個領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，而發(fā)展的大方向是將量子計算、量子通信和量子精密測量等系統(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。

要實現(xiàn)實用化的量子信息系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)，首先必須開發(fā)高性能的基礎(chǔ)器件。在各種類型的量子器件中，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。先進的微電子、光學(xué)和光電子平臺能夠制造大多數(shù)量子信息處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)器件。光電技術(shù)無疑在過去的十?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、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，如量子計算邏輯門、量子光源、單光子探測器、量子存儲器、量子信道、量子傳感器等的設(shè)計和制備。作者團隊也正是以各種光電材料為平臺，在量子器件領(lǐng)域進行了一系列探索、研究和開發(fā)。毫無疑問，量子信息科技的實用化仍然有賴于各類量子器件的進 一步發(fā)展，例如需要大幅改善光電過程的相干性、增強量子芯片的魯棒性、提高量子信息網(wǎng)絡(luò)的可擴展性等。為了更好地面對新的挑戰(zhàn)，文章綜述了作者團隊以往的工作，總結(jié)研究經(jīng)驗，積累技術(shù)儲備。

主要內(nèi)容

單光子源是量子通信中的基本器件，并且在量子測量和量子計算中也有很好的應(yīng)用。在這個方向上，文章綜述了作者團隊在量子點單光子源、宣布式單光子源和量子隨機數(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），通過結(jié)合空氣隙和漸變DBR結(jié)構(gòu)，在1.55 μm波段實現(xiàn)104-105的高品質(zhì)因子和GHz級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單光子源的潛力。

圖1 (a) InGaAsP/InP-airgap納米柱腔的三維視圖；(b)計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，作者團隊近年針對量子糾纏光源的性能優(yōu)化、集成化以及應(yīng)用等進行了多方面的研究。包括基于級聯(lián)二階非線性過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，同時制備了能量-時間、頻率片、時間片等多個自由度的糾纏光子，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)對不同應(yīng)用場景。

圖2 實現(xiàn)不同自由度糾纏的實驗裝置 (a) 關(guān)聯(lián)光子對產(chǎn)生光路；(b) 關(guān)聯(lián)光子對表征光路；(c) 能量-時間和時間片糾纏光子對表征光路；(d) 能量-時間糾纏光子對的相干操縱光路；(e) 頻率片糾纏光子對的產(chǎn)生和表征光路

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

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

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

圖4 量子存儲器實驗裝置

結(jié)論

為了在未來實現(xiàn)量子信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，作者團隊近年來研究探索了多種光電量子器件。作為光纖量子通信系統(tǒng)信號光源的解決方案，設(shè)計了幾種微納柱型腔-量子點單光子源；運用光譜復(fù)用技術(shù)，實現(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數(shù)發(fā)生器。在PPLN單波導(dǎo)中應(yīng)用級聯(lián)二階非線性光學(xué)過程，開發(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)，實現(xiàn)了可見度超過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，研制了128×32及以上規(guī)模的SPAD焦平面組件，并用于量子探測實驗。制備低溫下可同時存儲1650個單光子的光纖量子存儲器；探索研究了有望用于量子探測/傳感的光機械器件設(shè)計和NEMS器件制備方法。作者團隊面向各類量子光電器件的研究成果，是邁向量子科技實用化的一步，為未來構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)支撐。