第二次量子革命：集成光子学的五大量子技术应用丨光学专栏

光子盒研究院出品

在量子计算中，光量子处理器与其他类型的量子比特相比，仍然缺乏量子比特的数量。但是，由于它们在扩大光量子处理器的规模方面具有潜力，因此它们具有前景。

对于一个全功能的光量子计算机，光子必须被生成、处理和检测。生成是通过一个量子光源实现的，它产生的单光子可以被用来加密信息。线性光学的组合形成了必要的量子门，这些量子比特的信息在这里被处理。最后，高效的单光子检测器检测这些光子，读取信息。

光量子计算的神奇之处在于，所有这些构件都可以在光子集成电路（PIC）中实现。不同的有前途的平台可以为上述过程服务，如绝缘体上的硅（SiO2）、绝缘体上的硅（Si）、氮化硅（Si3Na4）、铌酸锂（LN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）……不可避免的是，每个平台的属性都是不同的；每个平台也都提供了不同的理想功能。需要有创新的解决方案，允许将这些平台组合成混合PIC。

在不久的将来，我们将看到混合平台的兴起，它将不同的光子技术结合成一个单一的功能单元，并可以设法克服单片光子电路的限制。

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集成单光子源

在芯片上生成单光子及其状态对于所有基于光子的量子应用是至关重要的。值得注意的是，通过主动将单光子流解复用（demultiplexing）为不同的空间模式，可以为量子计算和高级量子传感的可能性打开了大门。

Quandela（法国巴黎）是一家量子光源开发商和光子量子计算解决方案供应商，他们的量子点就朝着这个方向努力，量子点是无差别单光子的高效来源。量子点是完全集成在半导体材料上的“人造原子”，遵循标准的半导体技术。

Quandela公司的独立单光子源——Prometheus

公司通过其首个独立的量子光源Prometheus使这一目标更进一步。专利的光纤辫子技术可以在一个即插即用的19英寸机架中实现高度集成，为量子信息处理提供高质量的光子量子比特。

Sparrow Quantum（丹麦哥本哈根）提供了一个单光子源芯片，作为高效光子生成的可扩展解决方案；该芯片基于GaAs平台，在光子晶体纳米结构中嵌入InAs量子点。对量子点周围环境的精确控制使得单光子生成的保真度达到了世界最高水平，并实现了多光子相互作用。Sparrow Quantum的下一步是开发一个用户友好的单光子源，实现即插即用的体验。

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集成的单光子检测器

对单光子的片上检测可以实现量子信息的最终读出。目前有几种单光子检测器技术，如雪崩光电二极管和超导纳米线单光子检测器（SNSPD）。

Pixel Photonics公司（德国）已经开发了一种将SNSPD集成到纳米光子波导上的方法。该技术与波导材料无关，允许将高度并行、高效和超快的单光子检测与各自应用的首选量子光子平台整合。检测器的几何形状可以很容易地针对任何需要的波长进行优化，从紫外线（UV）到大约2微米。通过将无源（如氮化硅）或有源（如铌酸锂）量子光子元件与SNSPD的卓越功能相结合，Pixel Photonics的技术本质上适合于晶圆级制造，使需要高效单光子检测的量子光子应用的集成度达到了一个新水平。

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用于量子通信的集成光子学

KETS量子公司（英国布里斯托尔）的量子安全使用集成光子学芯片，使灵活、经济和强大的解决方案得以大规模部署，甚至可以部署在最具挑战性的环境中。在过去的五年里，KETS已经与包括电信、政府、国防和金融等不同领域的一些芯片组织接触，帮助他们用量子安全的密码解决方案保护他们的系统和数据。他们的技术将量子安全硬件小型化，其尺寸、外形和价位都能为量子时代的发展提供保障。

具体来说，KETS已经与空客和其他合作伙伴合作，成功展示了无人驾驶飞行器（UAV）和地面站之间的量子安全通信——这是迈向卫星量子密钥分发（QKD）的重要一步。他们基于芯片的平台在非常具有挑战性的尺寸、重量和功率（SWaP）限制下提供了一个原型解决方案，并展示了在日光条件下通过高损耗的自由空间链路（约25分贝）用千兆赫操作的发射器生成安全密钥。

在电信领域，KETS是ParisQCI的唯一量子加密硬件供应商，这是迈向更大的、跨越整个欧盟的安全量子通信基础设施的第一个区域步骤之一。为了在全球范围内推广这项技术，“建立一个标准化的量子安全网络架构”（BaSQuaNa）项目是英国和加拿大的合作项目，其总体目标是开发第一个跨大西洋的QKD通信网络。

数据中心是任何数据驱动的世界的重要方面。KETS正在共同领导一个新宣布的1160万英镑的未来量子数据中心ISCF项目；它最终将使用KETS的开发工具包作为核心构建模块开发原型集成，并与终端用户一起测试和完善它们的完整应用。

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可编程量子芯片和基于光子学的量子处理器

光子计算和处理在所谓的超越摩尔方法的范围内占据了领先位置。由集成光子学实现的对光波的振幅、相位和波长的控制操纵是对仅使用电子的既定电子数字计算范式的根本性进步。

iPronics的光子处理器运作于量子计算应用

iPronics（西班牙瓦伦西亚）推出了第一个可编程的光子处理器，具有广泛的应用，包括5/6G、通信、传感和计算。在光子计算方面，这项技术探索了光干扰，以超快和并行的方式进行矩阵向量乘法。通过整合单光子激光器和光电探测器，这些功能可以直接应用于量子计算。这将允许实现量子逻辑门——量子计算的一个关键推动因素。这些量子门的可编程性是通过一个用户友好的软件平台实现的，它释放了可编程光子学的全部潜力。

QuiX Quantum公司即将推出的52种模式的量子光子处理器的照片。该系统包含2652个可调谐元素，能够对处理器进行重新配置和编程。

QuiX Quantum（荷兰）是光子量子计算硬件的全球市场领导者，这得益于其基于氮化硅波导的成熟基础技术。他们开发和销售市场上最强大的量子光子处理器：这些处理器已经成为整个欧洲光子量子计算的事实上的标准。QuiX使用的专利TriPleX氮化硅平台提供了一种可扩展的量子计算方法，具有室温操作的优势；它有可能用于个性化医疗、自动驾驶汽车和能源储存等应用。该公司的下一步是扩大他们的量子光子处理器技术，实现光子量子计算架构，以及对其完整系统之一的云访问，在那里将有可能运行特定的量子计算任务。

SiPhotonIC（丹麦）旨在为商业客户和研究实验室带来快速和精确的量子光子集成电路（QPIC）原型设计。该公司设计和制造基于220和250纳米硅绝缘体（SOI）技术的定制QPICs。该平台是为量子光子应用定制的低损耗光子元件开发的。根据客户的要求，它依赖于深紫外和电子束光刻工艺，交货时间少于1至3个月，这对于需要少量SOI样品的快速研发迭代周期来说非常有吸引力。对于定制的QPIC项目，可以考虑其他材料和工艺。该公司还通过第三方提供按需的额外后端服务。

SiPhotonIC在为国际知名研究团队和公司制造QPIC方面有着良好的记录，并在顶级期刊上发表文章。具有指标意义的是，光的量子态的生成或采样、量子传送、量子纠缠、QKD、防错量子比特以及其他量子通信和量子光子计算概念已经通过使用新光信息的SOI平台的QPIC进行了演示。

SiPhotonIC开发的最复杂的系统之一是为多维量子纠缠设计的单一可编程QPIC。为实现这一目标，它们制作了一个可编程的光子芯片，将超过550个光子元件集成到一个芯片上，包括16个相同的光子对源。该多维系统展示了以前未曾探索过的量子应用，如量子随机性扩展和多维状态的自我测试。

SiPhotonIC的扩展目标包括发布基于最先进的氮化硅（SiN）和铌酸锂薄膜（TFLN）技术的专有平台，用于量子和经典应用的光子原型设计，以及产品开发。该公司的目标应用包括量子光子计算、量子通信和量子感应。

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高度灵活、低损耗的光子多芯片集成

在一个功能齐全的光量子计算机中，需要整合上述有前景的平台来产生、处理和检测光子。Vanguard Automation公司（德国）的光子线键合和3D打印微透镜技术将这些不同的光学集成平台的互补性结合到先进的光子多芯片模块中，从而实现了达到全功能光量子计算机的挑战性要求所需的紧凑性、高性能和巨大的设计灵活性。该技术依靠高度精确的直写式三维激光光刻技术，在光学芯片之间打印自由形状的单模波导，从而为实现完全自动化的光子封装提供了路径，直至大规模生产，而不需要主动对准。

三维纳米打印也可用于在光学芯片和光纤上制造面状的光束塑造元件，从而实现高对准公差的低损耗耦合，并用于光学器件的晶圆级探测。光子线束和3D打印的微透镜已经在量子应用中展示了它们的能力。

形成单模光纤和硅波导之间低损耗连接的光子线键（蓝色显示）的电镜图像。

最后，尽管这些工作大多处于发展阶段，但从目前取得的进展来看，我们显然正在进入量子计算和量子通信的范式转变，并处于第二次量子革命的边缘。

参考链接：

https://www.laserfocusworld.com/optics/article/14282714/integrated-photonics-for-quantum-applications

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