郭光灿团队万字综述：用于可扩展量子信息应用的硅光子芯片

光子盒研究院出品

硅光子学具有高集成密度和优异的光学性能，正在成为完全集成和大规模光量子信息处理的有前景的平台。可扩展的量子信息应用需要将光子生成和检测集成在同一芯片上，我们已经看到，研究人员已经为此目标开发了硅光子芯片上的各种器件。

现在，中国科大中科院量子信息重点实验室的郭光灿院士、任希锋教授等回顾了用于可扩展量子信息应用的硅光子芯片的相关研究成果和最新技术，指出了片上可扩展量子信息应用面临的挑战和进一步研究方向。他们已在arXiv提交了预印论文《用于可扩展量子信息应用的硅光子器件》[1]。

目录

1. 简介

2. 硅光子芯片上的可扩展技术2.1. 单光子源2.2. 单光子探测2.3. 波分和模分多路复用2.4. 低温技术2.5. 芯片互连系统3. 可扩展的量子信息应用3.1. 多光子和高维应用3.2. 量子纠错3.3. 量子密钥分发3.4. 量子隐形传态4. 挑战与展望

01

简介

硅光子学具有高集成密度和优异的光学性能，正在成为完全集成、大规模光量子信息处理的有前景的平台。可扩展的量子信息应用需要将光子生成和检测集成在同一芯片上，如今，已经基于这一目标开发了硅光子芯片上的各种器件：如高效的芯片-光纤耦合器、大规模可编程的量子光子电路和单光子探测器。

然而，可扩展的量子应用对集成光子器件提出了新的、更高的要求。例如，需要高隔离度的片上滤波器来分离泵浦和单光子水平信号，调制器也需要在低温条件下运行。在此篇综述中，研究团队回顾了用于可扩展量子应用的硅光子芯片的相关研究结果和最先进的技术。由于硅光子芯片易于制备，其应用非常广泛和多样，此次只是回顾了普通的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的硅绝缘体（SOI）芯片的电信光带O＋C，并指出了未来的挑战和进一步的研究方向。

本综述的结构如下：第二节回顾了硅芯片上基本组件的最先进技术，如片上光子源、探测器、芯片内部连接等。在第三节中介绍了硅光子电路中一些关键和基本的量子信息处理，并回顾了多光子和高维应用、量子纠错、量子密钥分发以及芯片间的量子态远程传输等方面的研究工作：这些工程导致了可扩展的量子计算和通信。最后，在第四节中，团队展望了硅光子学在可扩展的量子信息应用方面的未来，并提出了进一步扩展存在的挑战。

02

硅光子芯片上的可扩展技术

可扩展的量子信息处理需要在单一芯片上尽可能地提高复杂性。不同自由度的光子应实现通用的量子操作，量子光子源、探测器、逻辑运算等核心功能应提高到高质量并集成在同一芯片上。考虑到有限的芯片尺寸和不同材料混合集成的难度，多功能芯片也可以通过高效的光互连来实现量子通信和分布式量子计算和计量。

因此，本章将硅光子学的最先进技术分为两个方面来回顾，即单芯片和互连技术，具体内容包括单片上的单光子源、光子检测、波分和模分复用和低温技术以及芯片互连技术。

1）单光子源

可扩展的量子光子信息处理需要多个高质量的单光子源。今天，有两种有前途的方法来实现单光子源：一种基于概率参数光子对源阵列的复用，另一种基于固态单光子发射器。

由于具有很强的三阶非线性响应，硅波导可以直接通过自发四波混频（SFWM）制备光子对源。许多技术被开发出来以提高光子源的质量：如使用微环谐振器和引入特殊的相位匹配条件，更多的细节在表1中给出。

表1 电信波长的最先进的光子源。对于宣布式单光子源，给出了泵浦功率归一化的光对生成率；而对于固态发射器，则给出了饱和发射率。PGR：对生成率；SER：饱和发射率。CAR：巧合-意外比率。*表示使用了脉冲激光泵。

在成对产生时，其中一个光子被检测到以预示其“伙伴”的存在。尽管每个光子对源是概率性的，但多个预示的单光子可以动态地切换到一个单一的输出模式，从而增加输出概率。光子对的任何自由度都可用于多路复用，如路径、频率和时间分档。另外，这些都可以结合起来，以指数性增加复用模式的数量。在参考文献[2]中，通过复用两个硅波导中产生的光子，证明了预示的单光子输出效率提高了63.1%；在参考文献[3]中，通过使用由时分和波分复用脉冲泵浦的硅波导，输出效率提高到90+5%；在参考文献[4]中，通过复用四个时间模式的光子，实现了100%的增强。

尽管有这些发展，多复用系统的片上集成仍然是一个突出的挑战，主要障碍是器件损耗。例如，假设1纳秒的延迟线对应于10厘米长的硅波导，而波导具有最先进的0.08 dB/m的低损耗，100纳秒的延迟线将引入0.8 dB的损耗，这仍然比商业光纤的损耗高很多。集成高速开关是多路复用系统中的一个必要组成部分，通常需要离子掺杂或与其他电光材料如铌酸锂混合集成，这些后处理过程总是引入额外的损失；大幅减少这些损失将使多个接近确定性的单光子源在硅芯片上实现概率性非线性参数化过程。

另一种方法，固态发射器产生确定的单光子，可以在硅光子电路上集成或转移。由于硅在1100纳米左右是不透明的，所以与硅集成的单光子发射器需要辐射超过这个波长限制的光子。在电信波长的多个量子点已经被证明。其中，最常见的是半导体量子点，包括InAsP、InAs/InP和InAs/GaAs等。通过使用发射波长优化的波导，参考文献[5]证明了来自于InAsP的光子发射：展示了来自单个InAsP量子点的光子发射，调谐范围大从880到1550纳米。通过混合集成技术，在硅波导上转移半导体量子点（图1a和1b）已经实现；通过利用氮化镓晶体的局部缺陷，在电信范围内也实现了高质量的固态量子发射器[6]：即使在室温下，在连续波（CW）激光激发下，也获得了g²（0）=0.05。

图1 硅光子学中的固态量子发射器。a)通过取放技术在硅光子芯片上定位生长的InAs/InP量子点。b）用基于转印的方法集成异质光学元件。c）G中心的原子结构。d）包括G中心的硅纳米柱。e）用来加强G中心垂直耦合的牛眼结构。

二维(2D)材料显示出许多惊人的特性，也被用来生产量子发射器，例如，通过将二维二碲化钼(MoTe2)耦合到纳米柱阵列的电信波长单光子发射器已被报道[7]，在脉冲和连续波激光激发下，g²(0)=0.058和g2(0)=0.181。彩色晶体，即G中心和T中心，源于硅中与碳有关的缺陷，是另一种具有电信-O波段突变的候选者。与其他方法不同的是，彩色晶体可以直接集成到硅波导中，而无需混合集成，用于大规模量子光子信息应用。例如，数万个单独寻址的光子-自旋量子比特已经用T中心进行了演示，这将提供自旋量子比特之间的光子链路，大大推进量子信息网络[8]。

为了将固态发射器与光子波导相结合，人们提出了许多方法，如纳米级定位方法。对于重要的耦合效率，参考文献[9]显示，单光子的总耦合效率在实验中为63%，理论上高于99%；在文献[10]中，发射器直接集成在硅波导中，在模拟中显示了40%的耦合效率。此外，使用光学微腔也值得进一步考虑，以提高提取效率。为了进一步扩大规模，多个发射器同时工作是必要的；然而，没有两个固态量子发射器在实验中产生时是相同的。为了保持它们之间的一致性，波长的可调性是必要的。电子集成或诱导应变已经被用来调整波长，并且已经证明了由独立量子发射器产生的量子干扰。在纳米光子设备中，选定的集成量子发射器的波长调谐已经实现。处理和调谐技术的快速发展增强了不同发射器之间光子的不可分性，并增加了片上发射器的数量。虽然不在电信波段，但最近已经展示了来自两个远程量子点的光子的量子干扰，其可见度为93.0%[10]，以及在混合AlN光子电路中大规模集成的人造原子[11]。

2）单光子探测

光子探测器将光信号转换为电信号，是光子量子信息应用的一个重要部分。对于压缩光的测量，开发了集成在硅上的锗（Ge）光电探测器，并在其基础上实现了同调探测器。此外，通过将硅光子学与集成放大电子学相连接，已经证明了完整的集成同调探测器和一个超过20GHz的射出噪声限制带宽。

对于单光子水平的检测，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）显示出优异的性能，如接近统一的系统检测效率、GHz最大计数率和皮秒级时间分辨率。SNSPD使用超导材料，在临界温度以下工作。即使只有一个光子击中，其能量也足以激发材料，并随后产生电压脉冲。一系列的超导材料已经被开发出来，包括NbN、NbTiN、MoSi和WSi等。在光纤和SNSPD之间的垂直光学耦合中，光纤端面与SNSPD的光敏表面平行，光子垂直地入射到纳米线。通过优化设备的垂直光学堆栈设计，以及引导的光纤模式与设备的有源检测区域的耦合，已经实现了98%的系统检测效率[12]。

对于波导和SNSPD之间的耦合，采用了行波耦合，如图2a所示，可以实现对光波导中光子的有效检测。这种混合集成方法直接将SNSPD置于硅光子学中，从而大大增强了量子光子集成电路的可扩展性。

图2 用于单光子检测的集成SNSPD。a）行波耦合原理。b）高质量因子微腔内的SNSPD。c）腔体集成的SNSPD。d）在二维光子晶体腔中实现的SNSPD。e）一个典型的单光子探测器段链，用于信号复用和数字分辨率。

通常情况下，单光子探测器在Geiger模式下工作，即由读出电路产生的电信号表明检测到了一个光子。然而，在许多实验中，最好是使用能够分辨光子数量的探测器。通过分析纳米线的光子数量和电阻之间的关系，多光子检测是通过一个转换的SNSPD实现的。通过探索检测器输出的脉冲形状，在AlN平台上也实现了具有光子数分辨能力的SNSPD（图2e）。此外，通过在超导纳米线上集成阻抗匹配锥，探测器的输出振幅变成了对光子数量更加敏感，探测器的光子数量分辨能力达到了4，16.1 ps的时间波动和<2 Hz的暗计数率。

高质量的SNSPD也促进了各种新的应用，如使用光子的量子计算优势、成像和光谱学，以及集成量子密钥分发。尽管取得了很大的进展，但SNSPD如果没有笨重和昂贵的低温系统（<4K）就不能工作。其他类型，如硅上锗和InGaAs/InP单光子探测器是潜在的替代品。就检测效率而言，硅基锗探测器最近被证明在125K的1310纳米处的检测效率为38%，而InGaAs/InP探测器在125K的1310纳米波长下达到60%。

进一步降低暗计数率将扩大它们在许多量子应用中的吸引力，关于集成单光子探测器的更多细节总结在表二中。除了这些传统的设备，基于低维材料的单光子检测正在兴起，并显示出优越的性能。

表2 集成单光子探测的最先进技术。除了原文中参考文献[98]（本文排序为参考文献[46]）的工作波长为1310nm，其他工作波长都在1550nm左右。*代表系统检测效率。

3）波分和模分多路复用

由于对信息处理和通信能力的需求显著增加，为了在单个芯片上编码更多的信息，已经做了很多努力。一种方法是提高集成密度。器件被开发得更加紧凑，其间距也更窄。例如，通过使用对称性破坏的概念，证明了具有低串扰的高密度波导超晶格[13]；这个概念也被用来构建双量子比特逻辑门，并大大减少了占地面积。最近，基于逆向设计的电介质超表面网络，展示了一个占地面积为20×30um²的超密集集成多介质光学系统[14]。另一种方法是通过复用引入新的自由度，包括波分复用（WDM）和模分复用（MDM）。

波分复用是一种将不同光波长的信息编码为不同通道的技术。像环形谐振器、非平衡MZI、波导布拉格光栅（WBG）和阵列波导光栅（AWG）这样的结构被用于波分复用系统，以达到波长复用和去复用的目的。其中，512通道密集波分复用、通道间距低至17GHz，与探测器的混合集成（图3b）已经被证明。虽然没有使用硅光子学，但已经报道了在集成的声学电路上使用波分复用的高速量子密钥分发。

图3 硅光子学中的波分复用技术。a）级联Mach-Zehnder解复用器。b）带有集成阵列式波导光栅的波分复用接收芯片。c）耦合的5环硅滤波器。d）波导布拉格光栅分流滤波器。

除了增加信道容量，波分复用技术还被用作各种光学系统中频谱操作的屏蔽器。用不平衡的MZI，一个可调节的滤波器已被证明，并显示了滤波器中心波长、带宽和可变通带形状的调整能力[15]。有了高阶环形谐振器，片上滤波器变得超紧凑、超高对比度，并显示出高灵活性。例如，5阶环形谐振器的光滤波器显示出40dB的带外抑制率，以及在700um2的范围内只有1.8dB的插入损耗（图3c）[16]。为了增加自由光谱范围（FSR），一个小半径为0.8um的谐振器被证明，最近实现了93 nm的创纪录的大FSR[17]。WBG是无FSR的，也可以被用来构建滤波器。滴加结构（add-drop structure）显示出高对比度，并且滤波器的带宽随着波导宽度的变化而变化（图3d）。关于硅光子学的更多细节在表三中进行了总结：

表3 硅光子学的最先进技术。MZI：Mach-Zehnder干涉仪；WBG：波导布拉格（Bragg）光栅；IL：插入损耗；FSR：自由光谱范围。

对于可扩展的量子信息应用，这些光纤将被用于在检测前剔除泵浦光，或在不同的波长上分离出单一的光子。

MDM是一种新兴的技术，利用多模波导的高阶横向波导模式来编码更多的信息。由于多模波导仍然支持多个波长，这种技术可以与波分复用相配合，进一步提高信道容量。如图4所示，各种多模硅光子器件已经被开发出来，用于MDM系统中多模通道的低损耗和低串扰光操纵，如模式（去）复用器、光栅耦合器、高速转换器、波导急弯和模式无关的交叉波导。目前，包括六个TE极化模式通道和四个TM极化模式通道的模式（去）复用器已经实现[18]。此外，通过使用具有高阶模式的多模光波导，一些仅用基础性模式无法实现的特殊硅光子器件已被证明，如基于多模布拉格光栅的分插式光滤波器。

图4 硅光子学中的模分复用技术。a）带有绝热锥度的模（去）复用器。b）10通道模式（去）复用器。c）使用基于超材料的麦克斯韦鱼眼透镜的多端口多模波导。d）基于数字元结构的多模弯曲（bending）。e）高速光学双模转换器。f）用于混合波分/模分复用系统的可重构光分插复用器。

利用高阶模式进行量子光子学研究，激发了许多新的应用。例如，在参考文献中[19]中，横向波导模式自由度被引入到量子编码中，并演示了光子纠缠量子态在路径、偏振和横向波导模式自由度之间的片上一致性转换。在参考文献[20]中，在一个多模光波导内演示了导引模式之间的量子互易。最近，在两个新开发的多模器件的帮助下，实现了横向模式编码的2量子比特逻辑门[21]，显示了普遍的横向模式编码的量子操作和大规模多模、多自由度量子系统的潜力。特殊的模间相位匹配条件被用于制备量子光子源。特别是，通过多模波导中的SFWM演示了片上横向模式纠缠光子对源[22]。此外，通过利用低损耗多模波导中的特殊前引方案，量子光子源被设计成高光谱纯度，并通过模式间的SFWM实现了相互不可分性[23]。

4）低温技术

量子光子集成电路的大规模扩展需要将所有的功能集成在一个单独的芯片上，包括量子光子源、状态操作和光子检测。由于普通和有效的SNSPD必须在低温下工作，例如2K，量子光子源和状态操作程序也应扩展到相同的温度条件。此外，在量子网络中，与其他量子系统（如半导体和超导量子计算系统）的光学接口也需要在低温下操作整个系统。

虽然无源光学元件通常可以在低温下直接使用，但有源元件和非线性过程的实现一直是一个突出的挑战。目前，在环境条件下用于量子光子芯片的量子状态操纵结构通常是基于热光学效应。然而，硅的热-光共效在低温下会明显下降。特别是，当温度为几K时，热光学系数比室温下的系数低四个数量级，这使得热光学调制器难以工作；另一个问题是，随着温度的下降，冷却系统的可用冷却能力也会下降。因此，在低温条件下工作的调制器应该保持非常低的功率消耗和热量产生。

到目前为止，已经有一些关于硅光子学的低温调制的工作报告。在参考文献[24]中，通过较高浓度的掺杂，一个由等离子体分散效应制备的微盘调制器（图5a）已在4.8K的温度下实现，传输数据速率达到10Gb/s。作为第一个成功的实施方案，这项工作为在低温条件下使用硅光子学来连接其他系统打开了大门。此外，通过利用集成钛酸钡（BaTiO3）器件的波克尔斯效应，在4K温度下进行电光调制已被报道（图5b））[25]：这种材料在4K温度下显示出200pm V-1的有效Pockels系数，并且制造的器件显示出高电光带宽（30 GHz）、超低功耗和高速数据调制（20 Gb/s）。另一个实施方案采用了硅波导的直流克尔效应，在5K的温度下实现了GHz速度的相位调制（图5c）[26]。

图5 低温下的硅光子调制器。a）等离子体色散微盘调制器。B）BaTiO3-Si赛道共振器。C）集成PIN结调制器和由该调制器组成的非平衡Mach–Zehnder干涉仪。

尽管取得了这些进展，这些调制器件仍处于初始研究阶段，在量子信息研究中的相关应用还没有得到证明。

对于大规模的量子信息应用，它们应该更加紧凑，并且具有更低的过剩损耗。最近，通过使用与SiN波导耦合的氮化铝(AlN)压电机械驱动器[27]实现了可编程的Mach–Zehnder晶格，它也可以在低温条件下运行。虽然调制器在可见波段和SiN平台上工作，但这项工作证明了片上大规模低温调制的可能性。除了低温调制之外，一些工作也被报道了在硅材料中的低温非线性过程。在参考文献[28]中，测量了温度在5.5到300K之间的硅波导的双光子吸收和光学Kerr非线性的温度依赖性，发现非线性优点在低温下得到改善。然而，量子应用，如通过低温SFWM制备量子光子源，还没有被证明。

5）芯片互连系统

芯片互连在构建大规模的量子网络中起着关键作用。在光子量子技术中，芯片互连需要在不同的光学元件之间进行有效的光信号传输。然而，由于不同组件（如光纤和硅波导）之间的有效模式尺寸不匹配，需要特殊的耦合结构。光栅耦合器是一种常见的结构，它通过在波导表面蚀刻衍射光栅来扩大波导的模式尺寸。图6a显示了均匀的表面波纹光栅结构的横截面图，图6b显示了一个制造的光栅耦合器的图片。通常情况下，光栅耦合器的对准公差值为+2um，1dB的过量损耗为+2um。对于均匀的光栅结构，光栅耦合器的典型耦合效率为5dB。为了提高耦合效率，引入了不同的原则和技术。一种方法是在空间上改变因子和蚀刻深度（图6c），这可以实现更大的重叠积分值，即来自光栅耦合器结构和光纤的光的场图。这些振镜式光栅耦合器的典型耦合效率为1dB。

图6 硅光子学中的芯片互连技术。a）基于双折射光栅的耦合结构。b）聚焦光栅。c）双重蚀刻的远地点波导光栅耦合器。d）带有单个铝制背面镜的光栅耦合器。e）作为末端耦合器的模式大小转换器。f）三维耦合器结构。g）在光纤端面上的3D打印光学探头。h）光纤芯和不同的硅波导通过光子线键连接。i）原位3D纳米打印的自由形态透镜和扩展器。

考虑到由于光栅结构的向下衍射，很大一部分输入的光功率在基底中损失了（图6a），另一个规则是改善光栅的方向性。许多技术被开发出来，例如使用叠加光栅元件和基底金属镜（图6d）。特别是，人们可以同时改善重叠积分和方向性，低于1dB的耦合损耗就是通过这种方式实现的。值得一提的是，这种高价的光栅耦合器已经被采用，并在硅光子电路的多光子量子信息处理中发挥了重要作用。光栅耦合器通常是偏振去势的。为了利用偏振自由度来编码量子信息，总是使用二维光栅耦合器，它能够将正交偏振的光耦合到独立的波导中。

端部耦合器是另一种用于芯片-光纤耦合的常见结构。锥形波导的设计已被引入，以扩大集成硅波导的有效模式尺寸（图6e）。与光栅耦合器类似，端部耦合器与商业单模光纤的耦合损耗也低于1dB。此外，端部耦合器可以实现更大的1dB带宽，并支持两种偏振模式的同时有效耦合（表四）。芯片边缘的定位有利于直接与光纤阵列封装，尽管需要额外的专用制造步骤，如芯片切割和抛光。端部耦合的多通道封装已被证明用于深度学习和量子传输模拟。与端部耦合类似，最近展示了一个三维（3D）制造的聚合物耦合器[29]，其耦合损耗为1dB（图6f）。

表4 硅光子学中芯片互连的最新技术。对于线连接和原位3D纳米打印技术，不同结构的耦合效率都有报告，此表列出了最大值。

除了在芯片上制造复杂的耦合结构外，许多其他有效的方法也值得考虑。例如，在光纤端面的3D打印光学探针（图6g），可以实现真正的尖端设备的检测，最近被证明具有1.9dB的耦合损耗[30]。光子线键合和原位3D纳米打印是用于芯片级多平台互连的其他新颖而有前途的技术（图6h和6i）。使用具有三维几何形状的聚合物波导，光子线连接可以在不同的芯片上连接光子电路。利用这种技术，硅芯片之间1.6 dB的耦合损耗，四芯光纤和硅芯片之间1.7 dB的耦合损耗，以及磷化铟芯片和硅光子芯片之间0.4 dB的耦合损耗已经被证明。原位3D纳米打印技术利用直接写入的双光子激光光刻技术来创造超紧凑的元件，如透镜和扩展器，它们可以直接集成到光学集成器件的表面上。这些元件可以根据耦合目标进行优化，从而提高灵活性。将这两种新技术引入集成量子光子学，将大大改善芯片的复杂性和集成度。

03

可扩展的量子信息应用

经过几十年的发展，硅光子学在量子计算、量子模拟、量子通信和计量学等方面取得了一系列重大进展。此篇综述对近年来的一些重要进展作一回顾，它们在量子信息处理的扩展应用中具有基础性和不可替代的价值，包括多光子、高维应用和单芯片上的量子纠错，以及芯片间的量子密钥分发和隐形传态。

1）多光子和高维应用

假设一个系统包含n个光子，有m个维度，系统容量为mⁿ。因此，增加光子的数量将从指数上提高系统的容量，这是非常重要的。尽管多个固态量子发射器可以集成在同一芯片上，并且可以产生多个确定的单光子，但控制发射器以确保光子之间的不可分性仍然是一个主要难题。通过复用技术，单个发射器也可以产生多个相同的光子和复杂的量子态；然而，复用部件的片上集成仍有困难。另一种方法，SFWM可以直接在单片上产生多个光子，近年来相关工作取得了很大进展。

凭借强大的三阶非线性响应，硅波导和微环谐振器已被用于生成具有不同自由度的纠缠光子对，并演示了各种光量子应用。此外，多个光子对被复用以产生由更多光子组成的量子态。在2011年，参考文献[31]进行了量子力学的研究：用两个独立的硅波导中产生的两个预示的光子进行了量子干涉实验，观察到了73%的可见度。后来，在2018年，这种多光子干涉过程已经在一个单一的芯片上被证明，其预示的光子来自两个独立的微环共振源，并测量了72%的干涉边缘可见度[32]。几乎在同一时间，硅波导已被用于制备复杂的四光子状态和频率退化的纠缠四光子状态。这些工作刺激了更多的多光子在集成光芯片中的应用，如制备可编程的四光子图态、生成和采样光的量子态（图7a）和观察非局域量子干涉现象。到目前为止，一个单一的硅芯片上的光子数量已经增加到8个[33]，通过进一步减少损耗可以实现更多的光子。

图7 硅光子器件的多光子和高维应用。a）用于生成和采样量子态的硅光子芯片。两个光源的相干泵浦和发射的光子的处理。c）基于多核光纤的芯片到芯片的高维量子密钥分发。d）用于多维量子纠缠的硅器件。e）基于Qudit（多能级）的可编程量子处理器。

在提高多光子干涉的质量方面，不同的策略已经被证明可以提高光子对的光谱纯度。特别是，参考文献[34]已经实现了片上预示的双光子量子干涉，可见度为96%（图7b）；这些高质量的集成光栅光子源在实际的量子应用中是很有前途的。

高维编码是另一种可行的方法，可以获得更大的系统容量。此外，它显示了许多独特的量子特性，并提供了特殊应用的改进，如量子通信中更高的容量和噪声稳健性以及量子计算中更高的效率和灵活性。在集成芯片上，许多自由度可用于高维编码，如路径、横模、频率和时间分块。其中，路径编码是最常见的一种，因为它易于实现。通过片上分光器和Mach-Zehnder干涉仪，光子可以在多条路径上被路由和操纵。耦合波导阵列也可用于构建所需的动态演化哈密顿量，用于研究包括量子行走、玻色采样和量子模拟。

对于集成器件的高维量子应用，参考文献[35]在2017年首次实验证明了高维芯片到芯片的量子互连（图7c）。在一个硅光子芯片中产生的高维量子信息通过一个多核光纤被分配到另一个芯片。与片上量子光子源相结合，可编程的高维双子纠缠系统已经被重新模拟出来。最近[36]，一个可编程的基于量子的处理器，包括初始化、操作和测量两个ququart（四进制）状态的所有关键功能，以及多值量子控制的逻辑门，已经在硅芯片上被证明（图7e）。

其他自由度在增加系统容量方面也有优势。例如，集成光栅的光子源总是有多个频率，波导横向模式显示了一个紧凑的方式来进行参数编码。此外，同时使用一个量子粒子的多个自由度是非常有效的。片上转换装置的发展将大大增加这些自由度的应用前景。

2）量子纠错

尽管有许多天然的优势，量子信息处理还是面临一个基本的困难，那就是错误。当逻辑运算与量子比特的错误率的乘积达到一定程度时，逻辑运算将失去其可靠性。同时，由于量子不可克隆定理，量子比特不能被复制，像经典处理器那样通过重复来消除错误是不可能的。因此，有效的量子纠错是实现一个现实通用的量子处理器的必要步骤。

在光量子技术中，光子损耗、量子态的质量和不完善的逻辑操作都是错误的来源。为了提高光子的容错能力，人们开发了各种方案，如努力减少制造上的缺陷，以获得高性能的光学元件。在参考文献[37]中，60 dB消光比的MZI可以通过改进的设计来实现，这相当于可以实现单量子比特量子门的99.9999%的保真度。

另一个著名的方法是为基于测量的量子计算（MBQC）生成大规模集群状态，这取决于对特殊纠缠态的局部测量序列，称为团簇态或图态。MBQC等同于基于电路的量子计算模型，由于用非线性光子制备这种纠缠态相对容易，这种模型在光子量子形成应用中受到高度重视。除了用于量子通信外，团簇态在其他领域也有重要的应用，如量子纠错、多方量子通信和量子计量学，以及对非局域性和退相干等基本问题的研究。

图8 用硅光子器件进行量子纠错。用于量子计算的错误保护量子比特。

到目前为止，利用硅光子电路，所有类型的四光子图态已经生成，并且已经实现了一系列带有/不带有纠错编码的量子信息处理任务（图8）。当使用纠错程序运行相位估计算法时，成功率从62.5%提高到95.8%。与MBQC类似，基于融合的量子计算近年来被PsiQuantum[38, 39]提出并发展：通过小规模的纠缠光子作为再源态和融合测量，大规模的通用容错量子计算可以通过片上组件实现。

其他新颖的纠错方法包括纠缠纯化和拓扑电磁模式。纠缠纯化是一种从一大批纠缠较少的状态中提取高纠缠、高纯度的状态子集的方法，它可以极大地提高不同量子比特之间的逻辑运算质量，放宽对高精度逻辑运算的再要求。拓扑电磁模式受纳米光子制造引起的无序影响更小，可用于避免错误。到目前为止，硅光子芯片上的拓扑量子光源和量子干涉过程已经被证实[40]。

3）量子密钥分发

在量子力学定律的支配下，量子密钥分发（QKD）旨在以绝对安全的方式在发送方和接收方之间分享信息。经过几十年的发展，QKD正在成为量子网络的基石，许多量子编码协议已经被开发出来，如BB84、双态和Einstein-Podolsky-Rosen协议。作为载体的常见选择，光子分布在803公里的光纤上，从卫星到地面的距离高达1200公里。为了方便和实用，发射器和接收器已被集成在光子芯片上，以实现密集的集成、高稳定性和可扩展性，并通过单模或多芯光纤连接。

通过结合缓慢的热光学直流偏压和快速（10GHz带宽）载波耗尽调制，高速低误差的QKD调制已经在硅光子器件上实现[41]。此外，在43公里光纤的城市间测试中，甚至在全日光下，已经证明了具有集成硅光子技术的QKD系统。QKD系统正变得越来越紧凑，不同的自由度编码已被实施，如路径、偏振和时段。基于混合技术，光子激光器和光子检测过程已被直接整合到硅芯片上。在硅光子电路中产生量子态的高维QKD能够超越传统量子密钥分发协议的信息效率限制。随着这些技术的进步，不同的密钥分配协议已经通过集成硅光子器件实现，如BB84，连续可变和测量设备无关，如图9所示。

图9 用硅光子器件进行量子密钥分发（QKD）。a）用于时域编码BB84的集成器件。b）用于高速测量设备无关的QKD的集成器件。c）带有高速电光相位调制器的硅光子学编码器。d）探测器集成的片上QKD接收器。

4）量子隐形传态

量子隐形传态的目的是将一个粒子的量子态转移到另一个粒子上，而不是粒子本身。作为一种新的通信方式，这种技术在量子纠缠的帮助下传输量子态中携带的量子信息，并构成了可扩展的量子网络和分布式量子计算的基础。它涉及三个粒子（A、B、C），我们假设粒子B和C是贝尔纠缠的；粒子A的量子态可以通过A和C之间的贝尔态测量转移到粒子B。通过量子态隐形传态，线性光量子信息处理器可以通过使用大量的级联门而有效地扩展。

集成的量子传送过程首先是用二氧化硅板波导实现的，它是由直接的紫外写技术制造的。硅胶波导具有较大的横截面（通常为4.5um×4.5um）、低的芯片-光纤耦合损耗和传输损耗使我们能够实现在自由空间产生的单光子直接通过光学光纤送入芯片，同时保持高亮度。在参考文献[42]中，使用了在自由空间非线性晶体中产生的四个光子：三个光子被输入到芯片中，剩下的一个被输入到探测器中作为预示。芯片上的干涉仪被用来实现纠缠生成和贝尔态测量的功能。基于状态测量结果、经典通信和相应的量子态操作，一个光子的量子态将被转移到另一个光子。

当然，量子传送过程也可以用硅波导来实现。特别是，硅波导中的强SFWM可以直接用于操纵多光子纠缠的量子态。在参考文献[43]中，两个硅芯片之间的量子传送已经被证明，如图10所示，四个微谐振器被用来直接在硅芯片上产生高质量的纠缠量子态。在验证隐形传态过程之前，获得量子态的光子通过路径偏振互换被传输到另一个具有量子光子互换的芯片上，在那里通过状态层析扫描测量重建量子态。这一成果为通信和计算领域大规模集成光子量子技术奠定了基础。

图10 用硅光子器件进行量子态隐形传态：芯片到芯片的量子隐形传态。

04

挑战与展望

尽管取得了上述进展，但为了实现可扩展的量子信息应用，在某些领域还需要进一步的改进。文章的最后，概述了硅光子量子技术所面临的一些挑战。

低损耗元件。损耗是光量子集成系统的一个巨大挑战，包括无源结构、延迟线、开关和芯片互连的损耗。由于有效模式面积小，硅的损耗比其他材料（如二氧化硅）更突出。尽管基于侧壁平滑技术已经证明了0.08 dB/m的最先进的低传输损耗[44]，但它很难应用于具有普通带状波导的波导结构；多模波导技术以及与二氧化硅或氮化硅的混合可以实现下一代的超低损耗元件。

光子生成。对于参数化光子源，硅波导在1550纳米处有强烈的双光子吸收，仅仅通过增加泵浦功率来提高光子源的亮度是很困难的。此外，光子源的性能相对较差，特别是在多光子干涉方面。能够大规模扩展并具有高亮度的光子源仍在路上。将光子扩展到远红外波段是一种潜在的方法，因为硅的双光子吸收率低。另一个可能的解决方案是开发与其他具有更好的非线性特性的材料的混合集成硅芯片，如氮化硅，其中几十吨的制备已经被证明[45]，以及铌酸锂，它具有强大的二阶非线性响应。对于去终端化的单光子源，应该开发调制技术以增加不同光子源之间的不可辨性。

确定性的量子操作。可忽略不计的光子-光子相互作用限制了许多基于光子的方案的适用性。为了克服这一局限性，应将基于辅助光子的预示性检测的多重光子源和前馈能力完全集成在同一芯片上。强的非线性介质，如原子，需要被引入到芯片中，以加强光子-光子的相互作用，从而建立确定性的多光子门。

频率转换。有效的频率转换将连接各种量子系统以建立量子网络，如微波和电信C波段之间的光子转换。在单光子水平上的有效转换将使我们能够利用不同的系统，即使它们相距甚远。

我们已经见证了用于量子信息处理的硅光子设备的巨大进步，特别是在最近几年。光子源、量子态操纵和检测可以集成在一个芯片上，并有望在同一芯片上实现，集成的可编程多光子和高维量子信息处理器已经被证明。随着制造技术的进一步升级，硅光子技术在量子信息处理方面将有更大的发展前景。当然，硅光子器件仍然面临着材料本身的许多缺陷，未来的量子信息处理器极有可能是各种材料提升到极致的混合体。无论如何，我们相信硅光子技术将发挥重要作用。

原文链接：

https://arxiv.org/abs/2208.05104

参考文献（上下滑动查看更多）：

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