科学家用铌酸锂薄膜集成平台操控光子态，为高速量子计算提供新思路

如何实现可扩展的光量子计算架构呢？这通常需要复杂的调控系统来驱动和操作。这种平台往往离不开高质量的光子态和快速、低损耗以及可编程电路。

光子学能够为远程量子网络解锁提供可扩展的量子硬件，该网络能实现跨多个量子设备和光子电路互连，并用于量子计算和模拟实验。

近年来，科学家开发了固态量子发射器，例如量子点。它能作为较为理想的、高效的不可区分光子源，来实现按需单光子源。

近期，丹麦哥本哈根大学联合德国明斯特大学团队，在 Science Advances 报道了一种集成薄膜铌酸锂光子平台。

他们将该平台与确定性固态单光子源集成在一起，并使用量子点实现纳米光子波导，进而实现光子态快速操控，例如双光子干涉、单光子确定性路径转换及双光子量子比特干涉等。

具体来说，研究人员采用薄膜锂铌酸作为量子处理器的基础材料，并使用固态量子发射器作为外部驱动源。与以往技术相比，该策略简化了系统结构，从而提高了计算速度和精度。

在这项研究中使用的单晶薄膜锂铌酸，具有优异的量子光学性能、高透明度和可调控性，能够实现快速的量子门操作和高精度的量子计算。

通过该平台在低损耗电路中，能够以几千兆赫的速度处理产生的光子，并在高速电路上实现了各种关键的光量子信息处理功能的实验；其不仅能够与各种固态量子发射器共同使用，还与低温条件的功能兼容。

研究结果表明，通过将集成光子学与固态确定性光子源相结合，可扩展量子技术是具有广阔发展前景的方向之一。该研究展示了薄膜锂铌酸在量子计算中的应用潜力，为高速量子计算提供了新的方向。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

相关论文以《由固态量子发射器驱动的高速薄膜铌酸锂量子处理器》（）为题发表在 Science Advances[1]。

哥本哈根大学博士后研究员帕特里克·I·桑德（）为论文第一作者，明斯特大学博士后研究员弗朗西斯科·伦蒂尼（）、哥本哈根大学助理教授斯特凡诺·佩萨尼（）为论文共同通讯作者。

图丨实验装置的原理图（来源：Science Advances）

在该研究中，课题组成员首次在绝缘体电路上开发出多模铌酸锂光电路，用于单光子的量子信息处理。为实现该目标，他们使用电路来调节和促进从量子点单光子源发出的光子量子态功能。

研究人员将波导集成量子点源发射的单光子注入铌酸锂光电路中，来探索光量子信息处理的关键功能，例如，可重构通用电路上的多光子干涉。

他们展示了用于在绝缘体波导上实现单模铌酸锂的几何结构，通过电子束光刻和氩等离子体蚀刻，在硅基衬底上贴合的铌酸锂薄膜上实现肋形波导光路。

图丨多模高速集成电路中的光子处理（来源：Science Advances）

蚀刻后，用氢倍半硅氧烷层包覆波导，并通过将光子集成电路光学耦合到单模光纤的方式提高耦合效率，以有源方法将快速光开关和电路与光纤连接。

研究人员利用配有定向耦合器和电可调移相器的马赫·曾德尔干涉仪，实现了电光可调谐波导电路。

他们从量子点发射的单光子流中创建了双光子输入状态，同时使用片外解复用器来分离连续的光子对，从而允许光子同时到达芯片。然后，将光子引导至单光子探测器进行符合检测。

快速光子路由器在光量子计算中具有重要意义，其能够以多种模式安装，用于近确定性函数中的复用方案。该团队通过旋转发射的光子流，利用确定性量子发射器进行网络方案，来降低光量子计算架构的成本。

图丨平台概述（来源：Science Advances）

该课题组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快速电光马赫·曾德尔干涉仪开关，级联在树形矩阵网络中。

整个实验电路显示出铌酸锂在绝缘体平台上，路由量子点产生光子的巨大潜力。具有可编程组件的多模量子光子干涉仪，对于实现光量子技术的核心功能至关重要，例如多光子门和融合测量，以实现量子计算实验或模拟量子模拟的电路。

研究人员验证了在绝缘体平台上使用量子点铌酸锂进行此类实验的可能性，并实现了由 6 个马赫·曾德尔干涉仪和 10 个相位调制器组成的通用四模干涉仪。

绝缘体量子处理器上的高速铌酸锂，提供了一种将光量子技术扩展到光子纳米结构之外的途径，从而有望实现大规模容错光量子计算。

参考资料：

1.Patrik I. Sund et al. High-speed thin-film lithium niobate quantum processor driven by a solid-state quantum emitter.

Science Advances 9,19(2023). DOI：10.1126/sciadv.adg7268

https://phys.org/news/2023-05-quantum-leapshigh-speed-thin-film-lithium-niobate.html#google_vignette

https://www.hpcwire.com/2023/06/03/researchers-develop-integrated-photonic-platform-based-on-thin-film-lithium-niobate/

支持：邹名之

运营/排版：何晨龙

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