龚旗煌、潘建伟等撰写的《集成光量子技术路线图》在自然杂志发表

光子盒研究院出品

12月23日，北京大学龚旗煌院士、王剑威研究员，中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授，中山大学刘进教授，与来自欧洲、美国、日本、澳大利亚的研究人员共同撰写的综述文章“The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies”(集成光子学在量子技术中的潜力和全球展望)在Nature Reviews Physics发表。

文章将作为集成光量子技术的路线图。在这份路线图中，作者通过具体的例子论证了集成光子学给量子技术带来的价值，并讨论了通过克服当前的障碍在未来可能实现的应用。作者概述了研究前景，并讨论了创新和市场潜力。本文的目的是通过概述与量子技术集成光子学相关的材料、器件和组件的科学挑战，以及为了将这些技术推向市场所需的制造基础设施和供应链的挑战，从而推动进一步的跨学科研究。

与实现量子技术的其他平台相比，量子光学(直接利用光的量子特性)为包括信息处理、计算和通信在内的多项任务提供了许多关键优势。与经典光子学工具和器件相结合，量子光子学已成为推动量子技术所有领域彻底变革的使能技术。与经典光子学一样，芯片级集成已成为扩大实验室演示规模并将其转化为现实技术的关键。新兴的集成量子光子学的中心目标是利用量子光学推动量子通信、计算、模拟和传感的实际进展。

与半导体电子器件类似，光子集成电路(PIC)依靠晶圆级制造技术在单个衬底上集成许多光学元件，通常还有互补电子器件。可扩展PIC平台已经产生了许多目前部署在利基市场的解决方案(如数据中心高速可插拔收发器、用于工业自动化的特定集成传感/监控解决方案、用于光学投影仪中光学开关的微机电系统(MEMS))。

集成光子学在经典应用的元件小型化、稳定化和规模化方面发挥着关键作用。经典光子集成平台有望为量子技术的发展做出贡献，实现更具可扩展性、更具鲁棒性、更紧凑和更便宜的量子设备。此外，集成光子学还将影响不直接利用光的量子特性的量子技术，如基于原子或离子的量子计算机、光学时钟或重力仪。这些量子器件需要对激光束进行复杂的控制来产生或操纵量子态。面临的挑战是开发适合这些量子器件具体需求的集成光子器件，这意味着但不限于对激光的波长/频率、相位/偏振、功率水平和强度控制以及集成频率和微梳进行微调。

集成光量子技术(IPQT)特别是量子光子集成电路(qPIC)(图1)的发展对于实现稳健的技术突破至关重要。因为qPIC提供了几个关键特性：具有较小系统占用空间的可扩展和快速可重构架构；按需增强光-物质相互作用；要求光学元件的高稳定性；与高效单光子探测器的直接片上接口或协同集成；以及互补金属氧化物半导体(CMOS)电子读出和前馈控制。

图1 qPIC架构。量子光子集成电路(qPIC)是实现集成量子光子学各种应用的器件。qPIC可以是单片集成、混合集成或异质集成，并且可以利用经典光子集成平台的当前进展。qPIC架构包括纳米束腔中的非线性光学(如周期性极化结构)和量子光源(红点/缺陷)、量子存储器(包括离子/原子在内的光学谐振器)、电光调制器/开关和单光子探测器(超导纳米线)、经典控制(电子元件)以及有源和无源光子元件。由于空间限制，图中未显示某些组件，例如滤波器和经典泵浦源。

作者简要概述了qPIC在不同领域的影响：

1.量子通信

量子通信在光子集成方面(特别是基于光纤的量子通信系统)也有很高的要求。量子通信可以分为两大类：量子密码技术(量子密钥分发QKD)和通过量子互联网的分布式量子计算。对于这两类技术，目前国际上正在努力从单个和笨重的桌面设备过渡到紧凑的集成系统。

这些项目处于早期开发阶段，重点是为量子网络和量子中继器节点创建片上平台所需的集成光学器件——集成光源(衰减激光、纠缠、压缩和单光子源)、单光子探测器、调制器、相干接收器、路由器、微光学元件和其他几个必要组件。不同类型的量子中继器需要纠错、前馈操作、集群状态或量子存储器来实现任意远距离量子通信。量子通信的挑战还包括耦合外部接口，如光纤或电气控制和/或大规模测试、量子存储器和接口与经典电信的集成。高效的频率转换光子集成对于在长距离上纠缠量子节点非常重要。

所有量子通信平台都需要实现电子学和光子学的更强集成，以处理更高的时钟速率、低成本和便携性、信号后处理的相关(经典)计算开销(例如，概率测量结果和量子态分析的后选择)以及最终的可扩展部署。

qPIC有望通过空间链路和光纤对量子通信产生重要影响，集成光子学在物理尺寸、重量、能耗、稳定性和可制造性方面比现有的原理验证演示更具优势。

2.量子计算与模拟

任何量子计算技术都要求对量子比特的精细控制以及将它们与环境的几乎完全隔离。在量子比特的不同物理实现中，光子占据了一个特殊的位置：它们与透明光学介质的相互作用很弱，这使得它们编码的信息对退相干具有鲁棒性。

光量子计算可以分为特定的量子计算模型(例如玻色采样)和通用的量子计算模型(例如单向或基于测量的)。根据光的量子态被用来编码信息的方式的不同，分为离散变量和连续变量模型，或它们的混合模型，提供了特定和通用量子计算的不同实现。

基于高斯玻色采样的九章量子计算机实现了“量子计算优越性”的里程碑。此外，通用全光量子计算也是可能的。桌面光学组件已经展示了许多主要功能，并且已经在几个波导平台上实现了到qPIC的转换，例如，KLM型受控非(也称为CNOT)门和编译的Shor因子分解。这些成就被视为重要的里程碑。

量子模拟被认为是量子计算机最有前途的应用之一。而光量子模拟器已经在实验室中进行了演示，并将从集成带来的可扩展性受益。qPIC通过实现特定的量子模拟算法，使一个通用含噪声中等规模量子平台能够执行特定的量子模拟任务。例如，硅和二氧化硅芯片中的qPIC模拟器被报道用于通过实现量子相位估计或变分量子本征求解器来估计分子本征能量，以及用于模拟固态系统中的自旋动力学。用于量子模拟的光子集成已经建立了qPIC平台，例如在高斯玻色采样中，芯片上压缩态的产生和处理使得在硅芯片(最多8个光子)和氮化硅芯片(最多18个光子)上计算分子振动光谱成为可能。

此外，集成光学还有望解决其他量子计算和模拟平台中的关键量子控制挑战。将紧凑、相位稳定和高质量的PIC器件与天然和人造原子/俘获离子协同集成，可以为这些原子系统提供集成、可扩展和低噪声的量子控制，例如用于激光初始化、激光冷却、量子比特寻址和读出。

3.量子传感和计量

量子传感和计量利用量子效应(如纠缠和态压缩)优化测量精度。例如，低功率量子雷达(用于隐形近程目标的探测或机器人应用中的近距离传感和环境扫描)需要非常高效的电磁场传感探测器。目前正在利用金刚石中的缺陷开发这种探测器，这种缺陷具有极高的灵敏度，同时还可以实现足够的动态范围和分辨率。用于医疗应用的精密温度传感器和其他传感器目前也在开发中。基于芯片的单光子源已经被用于利用态压缩的高精度量子计量。

光子集成可以通过使用紧凑的量子光源、片上检测和信号路由来提高这种传感器的性能以及尺寸、重量和功率。特别是，基于超导材料的集成单光子探测器在低温下提供了前所未有的效率。这种检测器可以与经典有源电路元件(例如调制器和MEMS可调分束器)结合，以产生反馈回路、可重构电路、前馈操作以及用于经典光子应用的电路。PIC的采用可能最终提供大规模可制造、封装和便携式量子传感器和时钟。

4.基础科学

集成量子光探测器的开发和优化，以及其他构建模块，将与量子读取、单光子和纠缠光子激光雷达、光学时钟、量子照明、光子变分学习和量子增强光学超分辨率相关，解决可扩展性和稳定性问题，包括快速片上数据分析。对于大多数光子量子技术，需要专门设计和优化的量子光源。一个大型科学团体正在研究不同类型的量子光源，从自然原子到固态量子发射器和非线性晶体，以满足个人应用的特定需求。

一般来说，qPIC平台可能提供对新物理学的基本理解，如拓扑和非厄米物理，并帮助研究新物理学，如多体相变和动力学。

目前，集成光量子技术(IPQT)仍存在诸多挑战需要解决。光子集成需要克服的挑战之一是使光子集成器件和/或组件与所需的量子应用相匹配。另一个挑战是与经典PIC平台的集成。

1.光子器件和组件

作者在本中提供了目前正在开发用于集成的经典控制设备和电路的非详尽列表，每种设备和电路都处于不同的成熟阶段：

• 特定波长的片上激光源和放大器。

• 片上频率稳定(如亚kHz、Hz激光器或频率梳)。

• 片上频移器。

• 片上强度控制。

• 用于俘获离子的片上频率、相位和振幅、模式控制元件。

• 具有高分辨率的片上MEMS和微光学元件。

• 片上低损耗、高速有源光子光开关和无源信号路由。

• 超低损耗光波导和延迟。

• 片上低噪声(单光子)探测器。

• 多波长片上保偏集成波导以及用于偏振、波长处理和滤波的集成元件。

图2 作为实现量子技术集成光子学的构建块的器件的非详尽列表，它们的不同类型和用于实现这些构建块的平台。表格中从左至右分别为量子发射器、非线性过程、电路元件、量子存储器、单光子探测器、经典控制。其中，AFC：原子频率梳；APD：雪崩光电二极管；EIT：电磁感应透明；FLAME：快速阶梯存储器；MEMS：微机电系统；ORCA：非共振级联吸收；SNSPD：超导纳米线单光子探测器；SPAD：单光子雪崩二极管；TES：过渡边缘传感器。

量子光子学需要上述所有经典构建块以及：

• 片上高度可控和可调谐的高品质、低模体积量子腔(如环形谐振器、光子晶体)。

• 原子或固态形式的片上量子存储器。

• 基于非线性和高阶过程的片上稳定量子发射器(如自发参量下转换源)、纠缠源和各种频率的压缩光源。

• 基于量子限制效应的片上量子发射器。

• 片上低噪声单光子探测器和相干接收器，如零差探测器。

• 可见光与电信、光学与微波之间的片上高效量子频率转换器。

• 片上快速前馈操作。

2.与经典PIC平台的集成

图3展示了需要集成量子光子构建模块以确保技术可扩展的几个应用。然而，不太可能存在基于单一技术平台的“一刀切”解决方案。多个应用将需要定制集成。

图3 不同量子光子用例及其实现可扩展性和现实应用所需集成设备的示例。从左至右分别为基于存储器的中继器、团簇态中继器、单向量子计算、基于离子阱的量子计算、量子密钥分发、量子成像、压缩光传感、玻色采样、N00N态(形式是|N,0>+|0,N>的量子态)传感、量子随机数发生器。NA表示不适用，O表示可选的，R表示必需的。

目前有几个正在开发的平台正在研究具体的量子应用，特别是与经典平台相比，它们适用于新的混合方法(例如，只有直接集成在芯片上，低温超导探测器的潜力才能得到充分利用)。一些突出的例子是：

• 硅光子学和混合集成，其本身就是一系列平台。

• 绝缘体上的二氧化硅/激光写入二氧化硅/各种玻璃最终可以与其他平台匹配，形成完整的系统。它们特别适用于玻色采样、量子行走和量子模拟(得益于3D几何)。

• III-V平台(InP和GaAs)提供单片集成光源(在某种程度上还提供探测)、先进的腔和量子光源(高品质量子点)和高速调制(电光效应)。这些平台具有高度非线性和对各种波长的适应性。

• 铌酸锂波导电路(包括LNOI)，为可重构波导、强非线性效应、电光效应、与光源和检测器的混合集成、用于片上频率转换和成对光源的周期性极化铌酸锂(PPLN)的实现以及基于掺铒(er)的低损耗光子结构的量子存储器提供了途径。

• 掺杂多种稀土离子(铕、镱、铒等)的氧化物单晶和薄膜(如正硅酸钇(YSO)或钇铝石榴石(YAG))。在这些平台上，可以达到特别长的相干时间，为实现量子存储器开辟了前景。当晶体或薄膜被放置在光子或光纤腔中并且大量波长可以被处理时，单离子检测和操纵已经被证明。

• 具有天然或植入色心(包括NV、SiV、GeV等)的金刚石，可以实现光子腔、可转移膜和机械共振。该平台受益于与室温操作相关的明亮稳定的光子发射，是磁传感(包括实现自旋量子比特)的杰出候选。

• 其他固态材料没有上述平台成熟，但目前正在开发中。包括具有单光子发射缺陷的宽带隙半导体(SiC、III-N等)，作为量子比特或量子存储器的稀土掺杂晶体，以及一般的2D材料。

• 聚合物平台为光学接口提供了更低的生产成本和更容易的微加工。结合微光学元件的混合集成，这些平台非常适合需要异质光学材料组合的更复杂系统。

图4 概述了几种光子集成平台，以及在该特定平台上以单片或异构或混合方式展示了哪些构建块。NA表示不适用，H表示异质或混合，M表示单片。

图5 几种光子集成平台按其技术成熟程度分类。D：发展阶段；E：早期/探索阶段；NA：不适用；P：原理验证阶段。

然而，所有这些平台都面临着实现挑战，其中一些直接继承自经典的领域应用，还有一些是qPIC特有的。例如，无法将各种平台中的光子损耗降低到量子应用所需的极低水平是一个严重的挑战。当多个组件需要耦合在一起时，这种情况通常会加剧，因为每个耦合都是潜在的损耗源。这一问题在量子计算等领域至关重要，因为量子计算的可扩展性严重依赖于降低损耗。总之，混合和多组件集成(复杂性)的需求与低损耗操作所需的结构简单性相冲突。

总的来说，没有一个单独的平台在所有领域都有相同的性能水平。例如，尽管硅光子学有望实现量子通信和一些计算和模拟任务，但它在波长选择方面受到很大限制，从而限制了可以混合集成或耦合的光源类型。例如，目前最好的按需单光子和纠缠光子量子点源发射的能量大大高于硅带隙，需要SiN混合平台或混合III-V平台。这表明具有真正按需光源的量子信息处理不太可能集中在纯硅光子学上。同样，NV色心源需要大量独立于主流硅光子学的新的定制解决方案。目前的研究分散在特定的解决方案中，这增加了延迟确定未来几个能够满足大多数应用程序需求的通用平台的风险。

IPQT领域面临的挑战主要是平衡不同的需求和规模性能，并提出巧妙的解决方案来绕过这些障碍。

许多国家一直在大力投资于高达数十亿欧元的强大量子技术研究计划，令人鼓舞的是，包括IPQT和qPIC在内的此类努力已开始在全世界实现。

1.欧洲

欧洲在光子集成方面有丰富的经验和专业知识，加上充满活力的研究和创新生态系统，可以利用光子集成为量子技术创建全球量子供应链。除了几个欧盟成员国的顶级设施和世界领先集团之外，还有一些主要的欧洲研究和技术组织，拥有专门的洁净室设施，支持光子器件和组件的研发，并将其集成到系统中。在由欧盟资助的量子旗舰计划中，集成量子光子学已被公认为量子通信供应链的基础技术。有几项计划是开发量子随机数发生器(QRNG)以及用于端到端量子比特传输的组件和模块。

在量子旗舰计划的量子计算和模拟项目中，光子学是一项关键的使能技术，而光子量子比特已经被确定为具有中间技术成熟度的平台之一。芯片集成光子学的发展也是量子传感和计量供应链中的关键要素之一。此外，IPQT和qPIC在QuantERA中(欧洲研究区域网络(ERA-NET)在量子技术方面的国家共同资助项目)具有重要作用。研究重点是开发优化的材料、架构和器件，用于集成到量子光子电路中。

此外，自2013年开始实施的英国国家量子技术计划建立了量子通信中心和量子计算与模拟中心，这两个中心都有关于IPQT和qPIC的工作计划，包括建立一个专注于量子光子器件的设计、制造、测试、封装和快速器件原型制作的服务以及一个关于硅量子光子学的专门项目。

2.澳大利亚

在学术研究和产业方面，澳大利亚传统上在光子学方面都很强大。光谱学、网络安全和量子计算领域的几家初创公司的出现促进了向量子光子学的过渡。澳大利亚有几个专注于光子学和量子技术的大型卓越中心，各政府机构投入了大量资金。在量子光子学领域，研究的优势在于固态量子比特(基于金刚石、六角氮化硼和稀土系统)、俘获离子、量子光力学、原子钟(EQUS、TMO和CQC2T)的开发和集成量子光子电路的制造。这些领域的研究人员数量正在稳步增长，澳大利亚完全有能力将这些技术推向市场，培养新一代科学家和工程师。

3.亚洲

在亚洲，中国一直大力支持光量子技术的发展。在基于光子的量子计算领域和实现千公里级空地量子密钥分发领域有着重要的知识基础，这两个领域都将受益于基于芯片的光量子技术。

自2015以来，中国主要的资助机构，如中国科学院、中国自然科学基金会和科技部，以及合肥、上海、济南、广东和北京的地方机构，为IPQT开发提供了5000万元人民币。在不久的将来可能会有更多的投资。研究计划涵盖了各种PIC平台，如GaAs、Si、SiN、激光刻蚀玻璃、铌酸锂和金刚石，目标是光量子计算、量子密钥分发和传感任务的实际实现。

新加坡也有一个包括量子光子学的强大量子计划。在大约15年前，新加坡建立了量子技术中心，并提出了一个国家量子工程计划，为重点研究项目提供资金。后者目前正处于第二个周期，目标是将量子科学和技术发展成为现实世界应用的解决方案。包括在单光子或少光子水平上对光的量子控制、基于波导和光纤的超大规模光子集成平台、硅量子光子学、QRNG和量子密码。

日本得益于为商业光通信开发的集成光子技术的强大背景。低损耗、大规模PIC有助于IQPT的开创性研究，例如，首次将片上光波导电路应用于量子技术(QKD)和实现通用线性光学qPIC。活跃的研究领域包括量子通信和网络、计算、传感和光学时钟。日本政府将光学和量子技术视为优先研发领域，并制定了长期国家战略《2020年量子技术创新战略》，着眼于技术的产业化和创新。

4.北美

在美国，政府、学术界和私营部门的支持有助于PIC技术的开发和制造，应用于经典和量子的交叉领域(如散粒噪声受限相干接收器)和量子信息技术，例如纠缠光子源。最成熟的PIC结构包括基于硅、锗、氮化硅、III-V化合物半导体、铌酸锂和聚合物的结构。由美国能源部高级科学计算研究办公室组织的2020年2月量子互联网蓝图研讨会确定了PIC的几个优先研究机会，包括量子光源、具有高效光学接口的量子存储器、低功率开关和多路复用、量子频率转换以及高效单光子探测器等量子网络组件的设备扩展、小型化和集成。目标器件需要满足可靠性和可扩展性的严格要求，以及在较大温度波动(从室温到液氦温度)下工作的能力。下一步将需要解决PIC材料、制造、设备连接和标准化方面的挑战。

加拿大提出了量子光子传感和安全计划，致力于制造量子系统原型，以提供超越经典光子学的测量和通信解决方案，特别是在量子加密和安全、环境和健康监测传感器等领域。加拿大航天局发射了量子加密和科学卫星任务，目的是连接卫星和地面网络，远距离演示QKD。

墨西哥正在建立一个培训专家的学术平台，并在未来五年内建立面向光子信息的公司。

5.集成和量子光子学公司

最后，文章还列举了上述四个区域的相关公司。在欧洲，除了许多已经积极参与量子技术的大公司(例如，泰雷兹、博世、Atos、Telefonica、Teledyne、BAE Systems、英国电信)，还有大量集成和量子光子学初创公司和中小型企业为IPQT和QPIC提供使能技术。

下表列出了几个主要区域中集成和量子光子学的相关公司：

集成光子学正在推动量子器件的规模化和商业化。在过去十年中，在世界不同地区建立了在光子集成方面具有强大专业知识的研究中心，同时加上全球社会对IPQT的关注，预计将有助于推动量子通信、计算和模拟、传感和计量以及量子科学的发展。

为此，作者提出我们需要共同努力支持PIC。这需要促进关键技术、合作、应对新兴市场和支持全球基础设施。这与大力支持开发与IPQT相关的材料、器件和组件以及在全球范围内开展量身定制的研究和创新计划相辅相成。用于量子技术的光子电路的关键性能是由新的和改进的材料、先进的集成和封装驱动的。需要有协调一致的方案来投资开发新的光子集成平台的组件和供应链，并为混合和异构集成建设基础设施，以应对IPQT的挑战和应对全球市场的需求。

图6 光量子技术创新周期的潜力。应用于日常生活中的光量子技术的发展不仅需要新的硬件、软件和通过封装实现的可扩展性，还需要新的生产线来满足制造标准，特别是低损耗。随着量子模拟和计算应用的反馈将加快新材料、设计和算法的开发，创新周期将在未来几年加速。

用于量子技术的PIC基于在单个芯片上集成若干关键技术。每项技术都围绕一个共同的平台构建，需要将不同的专业知识、设备和设施整合到全球共享的基础设施中。此外，作者强调需要投资教育来培养下一代IPQT工程师。无论商业量子设备将采用哪种技术，量子力学的基本原理都是一样的。作者预测，对同时拥有量子力学及其技术应用的大量知识的科学家和工程师的需求将不断增加。投资下一代的教育将有助于推动科技前沿。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s42254-021-00398-z

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