未来十年，集成光子学将助飞量子革命（上篇）

光子盒研究院

随着量子系统从几个量子比特的原型发展到数万个量子比特，集成光子技术将在量子系统中发挥关键作用。只有将这些元件集成到量子光子集成电路(QPIC)和配套电子器件中，才能实现基础光量子技术。

在过去的十年中，量子光子集成技术取得了显著进步，使桌面实验能够缩小到原型芯片，并提高了效率、稳健性和关键性能指标。这些进步使量子光子集成技术得以在单个芯片上集成多达650个光学和电子元件，从而能够实现可编程量子信息处理、芯片到芯片网络、混合量子系统集成和高速通信。

随着材料、光子设计架构、制造和集成工艺、封装以及测试和基准测试方面的进步，在未来十年中，我们可以期待从单一和少量功能的原型过渡到多功能和可重构设备的大规模集成，这将对量子信息科学和工程产生变革性影响。

要点一览

  Key ponints

- PIC平台：虽然硅基光子学由于波导损耗低和现有的代工基础设施而一直是QPIC的主力，但其他材料平台的开发进一步扩展了硅所能提供的功能：包括III-V族半导体、铌酸锂(LN)、碳化硅(SiC)、氮化物、金刚石和五氧化二钽(Ta2O5)。量子光子学的未来发展可能需要一种异质方法，将多种事先知情同意材料结合起来，以实现集成激光器和放大器、无源器件、调制器、量子频率转换器、高效探测器或芯片到光纤耦合器以及控制逻辑等高级功能。

- 量子和经典光源及量子比特：产生单光子、纠缠光子对、挤压光和其他非经典状态的量子光源是量子信息科学的基础资源。基于InAs量子点(QD)的量子发射器、金刚石和碳化硅中的缺陷、硅中的发射中心以及若干非线性PIC中的概率源取得了快速发展，已成功应用于通信、计算和网络领域的众多应用。为了提高光子生成的质量、效率和速率，必须进一步开发改进PIC集成度的技术。同样，由于这些光源目前依赖于片外光泵浦，因此提高其效率将有助于在芯片上集成精密和可调的泵浦激光器、滤波器和控制电子设备，从而实现封装的交钥匙系统。这种异构集成可能需要超越当前单一平台设计规则的协同设计方法。

- 量子频率转换：量子频率转换(QFC)对于在不同波长范围内运行的量子系统之间建立互联至关重要，例如，将捕获离子量子处理器与中性原子集合量子存储器或具有微波频率超导量子比特的光学网络连接起来。目前已有许多频率转换方法，包括光机械学、非线性光子学和光电子学，为实现从紫外线到电信波长的高转换效率和低附加噪声提供了令人兴奋的前景。

- 集成探测器：为了充分利用集成光子学带来的低损耗和高吞吐量优势，需要制定有效方案，在芯片上耦合具有单光子和光子数分辨能力的高性能光电探测器。基于超导纳米线的探测器可在低温下工作，是目前最有前途的技术，具有接近统一量子效率、低抖动和低暗计速率的特点。然而，所需的冷却设备设置了系统限制，而室温方法可消除kBT噪声，这将改变QPIC的游戏规则。单光子雪崩光电二极管(APD)因其接近室温工作而颇具吸引力，但要与超导探测器竞争，还需要提高其性能。值得注意的是，这两种技术都可以通过直接生长、薄膜沉积或芯片到芯片键合的方式与各种专用集成电路平台集成。

- 应用：量子光子技术的潜在影响是巨大的，从全光量子计算、量子加密和网络到机器学习、传感以及与芯片级离子阱等其他量子系统的接口。关键的挑战在于扩大集成组件的数量、提高片上功能和性能、保持较低的过量噪声和损耗，同时实现无缝组装和封装。

/目·录/（上篇）

一、集成光子学是许多经典技术的核心

（一）光子集成电路平台

（二）超越硅的规模化集成量子光子学

（三）III-V族量子点的异质集成方法

（四）铝镓砷集成量子光子学

（五）金刚石中的集成量子光子学

（六）五氧化二钽集成量子和非线性光子学

七）铌酸锂薄膜量子光子学

集成光子学是许多经典技术的核心，从光通信到生物传感器、激光雷达和数据中心光纤互连。有确凿证据表明，随着量子系统从几量子比特原型发展到数万量子比特，这些集成技术将在量子系统中发挥关键作用。

只有通过将这些元件集成到量子光子集成电路(QPIC)和配套的电子器件中，才能实现具有所需功能和性能的基础激光和光量子技术。在过去十年中，量子光子集成技术取得了显著进步：光损耗大幅降低，从而使台式实验能够缩小到原型芯片，并提高了效率、稳健性和关键性能指标。QPIC所带来的尺寸、重量、功率的减小和稳定性的提高，将在提高量子演示的复杂程度和规模方面发挥关键作用。

过去十年中集成量子光子学的重要里程碑：从2008年前的双光子干涉和基本量子门开始，到2020年在单个芯片上实现由650多个光子元件和确定性与概率性量子光源阵列组成的大型设备。

举例来说，上图的时间轴说明了从2008年实现双光子量子干涉的少元件电路到十年后组合了650多个元件、能够进行任意和可编程双量子比特运算的器件的快速发展，从而推动了基础量子力学、计算、通信和计量学的进步。如今，直到最近还在光学台上进行的实验，如波色采样、金刚石色心发射器阵列和多离子量子逻辑，都已经转移到了芯片上。尽管取得了这些早期进展，但QPIC的复杂程度仍落后于传统的PIC，如今芯片上的元件数量已达到5 × 10^3 个。有趣的是，这一进展反映了20世纪60年代和70年代数字电子技术的发展，并由此产生了潜在的量子集成扩展规律和路线图。当今最先进的集成技术，以及当前的材料、制造和封装技术，为目前可实现的芯片复杂性提供了一个缩影。

集成量子光子学路线图涵盖的主题包括经典和量子光源、探测器、频率转换和传输、光子材料平台、大规模集成方法以及计算、通信和传感领域的应用。

除了技术进步之外，要从原理验证原型过渡到量子实验和应用中使用的成套可部署系统，还需要投资和发展一个可持续的量子光子生态系统，将跨学科研究人员、科学家和工程师、基础设施和测试平台以及联邦、学术界和私人合作伙伴汇聚在一起。该基础设施的主要长期目标应是扩大量子集成技术的使用范围，并通过培训、专业发展和导师制培养未来的量子人才队伍。对长期生态系统非常重要的其他方面还包括现代化的教学实验室和活动，以实现量子力学和光子学教育的实践方法。

集成光子技术将在推进量子信息科学前沿以及全面实现量子处理、传感和通信应用方面发挥核心作用。只有通过光子集成电路(PIC)提供的高密度、高性能和环境稳定性，才能实现这些量子系统所需的扩展（即数千到数百万个量子处理或传感元件）和功能复杂性。所需的光子功能包括光产生（非相关光子束和纠缠光子）、放大、调制、开关、路由和量子比特输入/输出(I/O)接口、无源分光/合并、滤波、频率转换和检测（单光子和线性）。由于在与各种量子模式相关的工作波长（即紫外到近红外）范围内实现这些功能所需的材料特性各不相同，因此使用硅或单一化合物半导体材料系统等同质材料平台来制造所需的PIC是不太可能的。

因此，量子信息科学与工程的发展需要开发异质材料的PIC，并通过设计、制造、封装和评估资源的合作生态系统提供给社区。

异质集成光子平台。插图描述了麻省理工学院LL开发的元件：(a)用于捕获离子照明的多波长表面光栅透镜产生的三维光束轮廓，(b)与氮化硅环形谐振器结合的TFLN，(c)与二氧化硅结合的InGaAsP/InP量子阱膜，(d)倒装芯片半导体光放大器，以及 (e) 单光子盖革模APD(GmAPD)。

上图描述了一个通用的异构PIC平台，该平台将先进的硅代工工具集的制造工艺控制和产量与广泛的材料选择和硅代工后材料与组件混合集成的灵活性结合在一起。基础平台由多层电介质（如氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)）和硅波导组成，用于实现无源和有源元件，并为异质集成创建优化接口。

在中等相容波导（在600-1650纳米的氮化硅中小于0.2dB cm-1，在370纳米的氧化铝中为3dB cm-1）和低相容波导（在1300-1650纳米的氮化硅中为0.001 dB cm-1）中都实现了低光学损耗。光源和其他非硅基有源器件可通过材料生长和沉积、层转移、晶圆键合和拾取贴装技术的组合来添加。这种异质PIC平台的演示范例包括结合了倒装芯片半导体光放大器的高功率（大于300mW）低噪声激光器、表面键合光学增益介质和低损耗表面键合铌酸锂薄膜(TFLN)波导。

虽然这些初步工作以及其他光子开发人员的工作都是重要的第一步，但要开发社区所需的平台，还需要更重要的协调努力。

当前，为量子领域开发异构PIC所面临的主要挑战有：

- 不同量子模式的广泛需求。随着该领域从基础科学研究向工程原型和产品过渡，这些要求也在不断变化。

- 要求的广泛性。根据光子是作为量子比特还是用于连接物理量子比特，光子功能及其相关要求可分为两大类。基于光子量子比特的量子系统需要纠缠光子源、超低光传播损耗、控制和维持光相干性以及高效检测。对于光子作为物理量子比特的输入/输出的系统，上述许多要求都可以放宽。但是，还需要满足其他特定于量子比特的要求，这些要求取决于光子与量子比特耦合的物理特性。在许多不同波长下工作的需求也是一个挑战。

- 要求的演变。随着早期演示的进行，大规模量子系统对光子学的要求仍在不断确定。例如，考虑用于量子计算和光学原子钟的捕获离子量子系统。正如麻省理工学院LL将SiN波导和垂直光栅透镜与离子阱表面电极集成在一起，以提供在Sr+离子上执行量子比特操作所需的六个波长。要将这种结构扩展到阵列式光学原子钟和实用量子计算所需的捕获离子数量，必须克服重大挑战：包括波导损耗、光栅耦合器的尺寸和效率、缺乏足够小的高消光光学开关和移频器以集成到每个陷波离子位置、高密度集成电路中散射光引起的串扰、制造产量和可重复性，以及对集成光学放大器、单光子敏感光电探测器和电子器件的需求。

其他量子模式也面临同样困难的扩展挑战。其中一个例子是通过光纤互连将超导量子处理器联网，这将需要开发从微波到光子的相干光子转换技术。要从实验室过渡到现场，还需要改进环境稳定性和封装。

- 材料、器件和集成电路的多样性。要开发和维护不协调的集成光子学平台，以满足量子模式所需的各种光子功能和工作波长的要求，在资金和时间方面的成本都将非常高昂。

- 电子光子集成。大多数量子光子功能都需要与电子集成，以提供直流电源、控制以及与经典世界的输入/输出。集成度随着支持所需互连的量子比特数量和密度的增加而提高。至关重要的是，这种集成的实现方式既要具有可扩展性，又要能保护量子元件免受电子设备产生的电磁干扰(EMI)。

概述量子信息科学与工程的一些关键集成光子学功能、挑战和所需的进展

要应对为量子界提供广泛适用、可扩展和具有成本效益的异质集成光子学所面临的重大挑战，需要取得以下进展：

社区定义的一套宽波长(∼0.35-2.0 μm)、多波导层基础平台，包含核心光子器件和结构，用于实施一系列异质光子集成技术（如倒装芯片键合、表面键合、外延生长），并使用硅铸造兼容材料和开放工艺设计包(PDK)所描述的工艺进行制造。

或者，可以使用一级代工厂或二级混合集成设施异构集成到基础平台上的各种特定应用材料和器件利用晶圆键合技术实现与电子器件的三维(3D)集成，使光子和电子制造工艺脱钩，增强电磁干扰(EMI)屏蔽。

总的来说，量子界将受益于开发异构平台、材料、器件和电路、灵活的集成过程以及先进的封装技术的协作和协调努力。由于各种量子模式对光子要求的广泛性、该领域成熟后这些要求的演变以及满足这些不断变化的要求所需的广泛技术，异构集成将是必要的。在控制、处理和输入/输出方面与电子设备紧密集成的关键需求最终也将要求三维电子光子集成。要想在该领域取得快速进展，就必须采用具有成本效益的异构解决方案，将现有的硅铸造基础设施与定制混合集成设施中特定应用材料和器件的后铸造集成相结合。

硅光子学在提高片上量子电路的复杂性和元件数量方面发挥了关键作用，并揭示了工程集成方法在量子技术中的颠覆性潜力。硅光电路得益于与现有CMOS工艺的兼容性，而硅的高元件密度、电信波长操作和非线性特性意味着它能满足集成光子学平台的许多要求。迄今为止，该平台主要是为传统电信而开发的，其成熟性也使研究工作受益匪浅。因此，它一直是许多早期光子量子计算构件演示的首选材料，并且在过去10年中，生成的光子和集成组件的数量迅速增长。

然而，虽然硅作为量子光子学的同质平台提供了一条直接的可制造性途径，但依靠单一材料提供量子信息处理(QIP)所需的几乎所有核心功能会产生严重的开销。在硅材料或其他同质集成量子光子学平台中，光子的产生是自发的，不存在直接的光子-光子相互作用。由于缺乏生成、存储和纠缠光子的确定性方法，因此需要部署大量的概率测量和前馈操作——这些方案提供容错量子计算的可行性尚未得到证实。

退一步说，我们可以考虑更复杂、内在可扩展的光子量子处理器的硬件元素。理想情况下，这将包括确定性的单光子源或光子纠缠态、频率转换模块、量子存储器和受控光物质相互作用。为了支持部分甚至所有这些功能的集成，异构平台将受益于具有广泛透明度的接口材料，如SiN、LN或AlN等。

然而，制造这样的异质器件也极具挑战性。

1）硅当前和未来的挑战

硅量子光子学要保持其作为当代QIP选择的地位，就必须在应对一系列关键挑战方面继续取得进展：

- 光子损耗

虽然光子量子光子集成电路(QIP)任务已经有了损耗容限方法，但减少传播损耗仍然是可取的，例如集成延迟线。光在硅波导中的紧密束缚增加了对侧壁粗糙度的敏感性，通常会导致显著的传播损耗。从单模波导到多模波导的直段锥形化可以大大减少这种情况。另一种不同的方法是将硅与不同的材料（如氮化硅）连接起来，较低的指数对比意味着更好的传播损耗，可将传播损耗降至小于0.1 dB m-1 。

硅的另一个重要损耗机制是双光子吸收(TPA)。在近红外电信波段工作时，通过自发四波混合(SFWM)产生光子时，这种非线性过程会限制泵浦场的强度。同样，改用带隙更宽的材料（如氮化硅）就可以解决这个问题。另外，最近的研究也证明了在硅材料中以更长波长工作的优势，即可以严重抑制TPA，从而减少非线性传播损耗，同时保留硅光子元件的全部工具箱。尽管仍需要支持更长波长运行的基础设施。目前有多种方法可降低光子芯片的内/外耦合损耗，但商业代工厂目前还没有许多专门的工艺。

- 探测器和低温运行

超导纳米线探测器正越来越多地与光电路集成。与此相关的挑战是光子产生的泵浦场抑制以及低温放大器和处理探测器信号的逻辑电子器件的共同集成：硅电子器件容易受到载流子冻结的影响，从而改变晶体管等的性能。使用室温电子设备读出大型超导探测器阵列进行处理可能需要许多同轴电缆，从而增加低温恒温器的热负荷，但光学读出方法可以避免这种情况。集成的高效室温APD阵列可以在环境温度下完全运行，充分利用光子相对于其他量子技术平台的最大优势之一。

- 开关(Switching)

快速、低损耗的调制和开关对于许多量子计算协议和多路复用策略至关重要，例如，可使概率光子生成接近确定性。硅材料中常见的开关机制是载流子注入调制和热相移，但这两种机制都存在相位相关损耗和速度受限的问题。虽然硅缺乏天然的二阶非线性，但可以通过直流电场诱导二阶非线性，从而实现快速、低温兼容的开关。另一种方法是集成能够支持快速电光(EO)开关的材料，如LN或钛酸钡，并设计与硅的高效耦合。

- 连接光子学和电子学

在芯片上驱动和处理电信号以操纵和测量光的能力促使电子学与光子学更好地结合。最近利用硅光子集成芯片直接与硅电子芯片线键合对挤压光进行高带宽检测的工作表明，充分利用性能最佳的光子和电子元件非常重要，即使它们不是来自同一代工厂的工艺。目前，对单片电子-光子集成电路性能的研究受到以下因素的阻碍：商业代工厂的高性能元件供应有限，以及集成光子学、高速、低噪声微电子学和量子技术方面的专业人才储备不足。

与硅光子集成电路直接线键合的集成电子芯片降低了器件的总电容，从而实现了用于片上挤压光检测的高带宽同调检测

随着量子处理器的尺寸和复杂性的增加，芯片与芯片之间的连接将变得至关重要，这不仅是为了利用不同材料中组件的卓越性能，也是为了让设备扩展到单个晶圆之外。硅芯片之间的量子信息传输已通过光纤和复杂的稳定锁定机制得到验证。与功能强大的现代计算机处理器一样，集成光学和电子内插器将为不同芯片之间的量子和经典通信提供更加稳定、可制造和可扩展的方法。

2）光子量子计算硬件的科技进步

光子量子技术的一个宏伟目标是为异构集成量子光子处理器提供类似CMOS的可制造方法。这将实现所承诺的几代颠覆性量子技术，包括容错量子计算。实现这一目标所需的一些直接而重要的进展可以具体说明如下：

- 集成光子学与功能组件的对接

与当今商业代工厂自上而下的制造方法不相容，规模化的异质集成是现代纳米制造面临的关键挑战。虽然在空腔中集成几个类似原子的系统相对简单，但如何在空腔中集成 O(10) 个固态原子，然后将这些原子连接起来，为QIP带来真正的系统级优势，目前尚不清楚。因此，我们必须开发出将代工制造的光子器件作为光子互连骨干与固态系统相连接的方法，固态系统通常以纳米级夹杂物的形式存在，如纳米金刚石中的NV中心或InAs QDs等膜。

- 控制和读出

虽然有多种电子方法可以控制、调节、稳定和驱动空腔中单个发射器的自旋跃迁，但数十个发射器的电气布线就成了问题。在这方面，量子光子学不同于超导和自旋量子比特等其他纯电学量子平台，因为我们需要让金属线远离光腔，以减少多余的散射损耗，同时又要离得足够近，以便有效地驱动自旋。双芯片解决方案是解决这一问题的一种方法，即在一个平台上实现光子电路，在另一个ASIC上实现射频和控制电路。然而，要使这种方法在低温条件下以较低的热功率预算可靠地工作，必须解决主要与效率有关的技术难题。

- 表征

需要新的快速特征描述技术来识别发射器。目前在特定地点识别单个发射器的黄金标准需要测量二阶强度相关性（g(2)），每个地点可能需要10分钟（取决于光子通量）。如果想建立O(10)个发射器系统，这种方法就不适用了，因为这可能需要经过100秒的站点才能找到合适的发射器。要想大规模实现混合集成光子学，开发新的光谱和算法技术来加快这一过程也至关重要。

如果能克服关键挑战，预计硅光子学仍将是进一步扩大QIP规模的重要试验平台。然而，要为异构集成量子光子学提供类似CMOS的基础设施，并提供容错量子计算，需要光子学界做出重大的协调努力。

异质集成包括在单一工艺流程中粘合两种不同的材料，然后制造器件。这种方法已应用于在硅衬底和片上波导上制造光电器件和非线性光子器件，由III-V半导体材料提供增益、吸收和增强光学非线性。虽然最初的工作大多涉及芯片级键合，但后来也演示了晶圆级键合。

单个QD器件的异质集成。(a)基于SiN波导、直接集成SPS的量子光子电路示意图。如插图所示，光源是基于砷化镓的纳米光子几何结构（此处为带有绝热模式转换器的直波导），它承载单个QD，可被触发一次发射单光子。(b) (a) 中几何形状的可能工艺流程。(b) 如(a)中所示的SiN耦合SPS的假彩色扫描电子显微照片。(d) (c) 中器件中单个QD的发射光谱和二阶相关性，表明其为单光子发射。(e)在(c)中，QD是随机位于GaAs波导内，阴极发光(CL)图像用于在制造前识别单个 QDs（左上角）。如制造后的CL图所示，CL图像用于确定性地在所定位的QD周围高精度地制造出右侧所示的波导。(f) (e)中QD发射光的二阶相关性，零时延时的强反束表示纯触发单光子发射进入SiN波导。

Bakir等人利用芯片级异质集成技术，首次在硅衬底上生产出基于III-V外延QD的光泵浦激光器。进一步的进展导致在硅上演示了电注入QD激光器。2017年，该方法被用于芯片级生产基于SiN的光子电路，其中集成了基于单个InAs QD的单光子源。这项工作中的器件包含多个随机定位的 QDs，而Schnauber等人在2019年展示了在GaAs纳米波导内精确定位QD的SPS的确定性制造。这项后来的工作还显示，在类似的光泵浦条件下，SiN波导中的触发式和后选式无差别单光子发射的相干长度与纯砷化镓器件中InAs自组装QD的相干长度相当。

在量子硅光子电路中引入单个QD有可能极大地扩展依赖于概率门的集成量子光子信息系统，这些系统通常需要高效的单光子量子比特生成、低损耗波导干涉网络和高效的单光子检测。片上单个QD可作为触发式、高速率的无差别光子源，并可通过精心设计的砷化镓纳米光子结构与硅光子电路高效耦合。与片上空腔强耦合的单个QD还提供了实现单光子非线性的途径，从而可以在芯片上实现确定性量子门。值得注意的是，混合集成技术也成功地生产出了带有片上QD SPS的硅光子器件。

目前，基于单个外延QD的片上器件功能的确定性制造对可扩展集成提出了严峻的挑战。单点器件功能要求在单个QD与单个可有效访问的空间限制光学模式（如空腔共振或波导模式）之间建立有效的接口。这反过来又要求以亚波长尺度的精度将单点定位在空间光学模式范围内的特定位置，以实现耦合的最大化。虽然定点选择性QD生长技术已经实现了这一目标，但通过 Stranski-Krastanow(S-K)生长模式生产的自组装QD通常表现出卓越的相干性，而这正是量子光子应用的关键特性。与定点控制的点不同，自组装QD是在生长晶片表面的随机位置上产生的，通常在光学特性（如转换能量、量子产率和相干时间）方面具有广泛的异质性。

因此，要确定性地制造单个S-K点阵器件，首先需要在大体异质的生长组合中识别出具有理想光学特性的单个发射器。随后，必须在确定的QD周围制造出支持所需接口光学模式的光子几何结构。值得注意的是，在同质和异质材料平台中，以及在混合和异质制造方法中，任何从单个量子发射器获得功能的设备都存在此类挑战。

位点选择性生长技术的进步可以更好地控制QD的光谱均匀性和相干特性，从而通过标准的、可扩展的自上而下处理技术，确定性地制造单个QD器件，从而显著提高集成的可扩展性。在缺乏这种可能性的情况下，单个S-K QD器件的可扩展集成将极大地受益于高通量单QD定位和光谱系统的开发。理想情况下，这样的系统可以快速识别大量在所需波长上发射无差别单光子的点，以便与纳米光子几何结构集成。然而，由于S-K QD出现在随机位置，这种方法会产生随机位置的单点器件。然后，这些器件必须通过临时路线连接到光子电路，而这是无法通过光学投影光刻技术实现的。

混合集成技术原则上可以规避这些问题，因为预制的QD器件（即使是在原点芯片上的随机位置生产）可以确定地放置在目的地芯片的预定位置上。不过，可扩展的集成需要高吞吐量的器件转移技术，这可能具有挑战性，尤其取决于对准公差。

总之，异质集成在基于单个III-V族半导体QD的大规模量子硅光子电路功能方面具有相当大的潜力。虽然这种方法原则上允许完全自上而下的处理，但由于在制造之前必须在单个层面上定位和分析QD，因此集成的可扩展性主要受到阻碍。但重要的是，对于采用单个量子发射器的设备来说，在任何集成平台上，这种非同小可且耗时的任务通常都是必要的。

量子光子学的一个主要目标是构建完全集成的多功能量子光子电路，其中包括可调经典和量子光源、有源和无源元件、可编程网络和探测器。在过去十年中，利用半导体行业成熟的制造基础设施进行大批量、低成本生产的绝缘体上硅(SOI)平台在这一方向上取得了显著进展。

为了进一步扩展硅以外的功能，人们开发并研究了各种候选材料，如SiN、LN和III-V半导体。在各种光子平台中，绝缘体上的（铝）砷化镓[(Al)GaAs]最近引起了人们的极大兴趣：这是因为它具有直接产生光的带隙结构，在电信波长上具有可将TPA降到最低的大带隙，并且具有较大的χ(2)和χ(3)光学非线性系数，比常用的介电光子介质高出几个数量级。

传统上，III-V族光子平台存在高波导损耗和低光学约束的问题，因为所有器件都是在原生III-V族衬底上加工的。(Al)GaAs-on-insulator[(Al)GaAsOI]通过晶圆键合技术将(Al)GaAs薄膜与氧化硅衬底异质集成，克服了这一限制。通过增强光强度和定制波导几何形状，这种方法实现的高指数对比为非线性和量子应用带来了大量新机遇。该平台的另一个关键进步是显著降低了波导损耗。通过结合优化的光刻、蚀刻和钝化技术，AlGaAsOI波导的传播损耗(<0.2 dB cm-1)比以前的III-V平台低了一个数量级，从而使光谐振器的品质因数Q超过300万，与许多最先进的介电材料平台相当。

(Al)GaAsOI平台上的演示。(a)AlGaAsOI波导横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。(b)AlGaAs谐振器的透射光谱。提取的Q值为3.3 × 10^6。(c)GaAsOI波导的SHG归一化效率传递函数。(d)GaAsOI波导在不同温度下的SHG光谱，其归一化效率大于40000% W-1cm-2。(e)AlGaAs谐振器在23 µW功率下产生的频率梳状线。(f)AlGaAsOI波导用于通信实验的频率转换。

目前，已经在(Al)GaAsOI上展示了各种类型的非线性器件。基于TE和TM模式之间新颖的直接相位匹配，在GaAsOI波导中实现了>40 000% W-1cm-2的创纪录高归一化二次谐波产生(SHG)效率。对于基于χ(3)的非线性过程，在高Q值AlGaAsOI谐振器中，Kerr梳产生的阈值达到了创纪录的20 µW左右。类似类型的波导还可用于光信号处理中的高效波长转换，其泵浦功率与集成激光源兼容。

这种高效率的非线性过程对于多种量子用途至关重要。在 AlGaAsOI中实现高效率和高质量的量子光源，为将最先进的非线性元件结合到量子领域带来了令人兴奋的前景，并有可能惠及广泛的系统级应用。

由于历史较短，(Al)GaAsOI需要进行大量研究和开发，才能达到与当前硅量子光子电路类似的集成水平。与基于SOI波导的丰富PDK库相比，迄今为止，使用(Al)GaAsOI 实现PIC中必要组件（如波长解复用、马赫-泽恩德干涉仪、调制器和探测器）的器件还很少。要支持(Al)GaAsOI技术的发展，必须克服的一个挑战是从研究开发层面的制造过渡到商业供应商和/或代工厂。该平台的可扩展性面临的另一个潜在挑战是III-V材料的成本，而这正是硅光子学相对于传统原生III-V平台的主要优势之一。

由于III-V族半导体在光子学方面的典范特性，(Al)GaAsOI 平台可实现丰富的量子应用功能。除了遵循SOI的路线实现基本无源元件的标准化外，(Al)GaAsOI还为有源元件和无源元件的单片集成提供了多项前瞻性优势。就量子光源而言，大χ(2)非线性可导致基于自发参量下变频(SPDC)的纠缠和单光子产生，与SFWM相比，SPDC的效率有望更高，从而进一步降低对泵浦功率的要求。同样，在连续可变(CV)机制中，产生挤压光态是量子光学信息处理的另一个重要资源，可以通过χ(2)或χ(3)非线性来实现。除了非线性过程外，(Al)GaAs及其合金材料体系的一个关键特征是与InAs/GaAs QD的兼容性，后者可用于产生按需单光子和实现单光子非线性。

通过利用III-V量子阱或QD外延层，电泵浦激光器与无源电路可直接集成在(Al)GaAsOI上，用作量子光产生的可调谐泵浦和用于干涉测量的片上局部振荡器。环氧乙烷效应和压电效应的存在有可能实现低插入损耗的高速调制器。重要的是，这些调制器适合在低温下工作，而低温是运行基于QD的单光子发射器和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)所必需的，因此，通过将所有这些功能单片集成到(Al)GaAsOI上，就可以实现完全集成的量子PIC。

基于AlGaAsOI的全集成量子光子芯片概念

为进一步提高可扩展性，(Al)GaAsOI可异质集成到SOI PIC上，以利用大规模CMOS兼容生产。降低III-V族材料成本的另一个策略是在硅晶片上直接外延生长，而不是在原生III-V族衬底上直接外延生长。(Al)GaAsOI材料系统在这一方向上取得了显著进展，其薄膜质量可与砷化镓原生衬底上的薄膜相媲美。

随着量子光源的卓越性能和系统级集成的便利性，(Al)GaAsOI用于集成量子光子学的研究有望快速发展。当前非线性器件的效率将得到进一步提高，通过探索材料系统的不同特性将实现新的功能。同时实现激光器、量子光源、调制器和光电探测器将是利用该平台实现完全集成量子光子学的下一个关键步骤。这些发展也将惠及集成光子学的其他应用，并将为经典和量子计算、通信和传感领域带来广泛的新机遇。

高纯度单晶金刚石具有非凡的物理和光学特性，这些特性的独特组合使这种材料远远超出了其作为珠宝宝石的传统用途，促进了金刚石集成电路领域的科学研究不断发展。

虽然由硅或III-V族材料制成的PIC已经实现了商业应用（例如在电信和互连领域）但量子 PIC 仍处于起步阶段 。它们主要需要按需生成不可区分的单光子、低损耗光信号路由、片上单光子操纵和检测，以及特定量子功能的工程设计，如量子寄存器或量子存储器。在这方面，金刚石能够容纳顺磁性、光学活性原子缺陷，如氮空位(NV)色心，因此被广泛认为是一种很有前途的QIP材料。

金刚石PIC具有承载大型长相干电子和核自旋量子比特阵列的潜力，这些量子比特由飞行光子量子比特连接，并由微波电路进行相干控制。此外，金刚石无与伦比的机械特性使其在腔体量子光机械方面大有可为，这为在同一平台上实现量子相干频率转换和量子存储器提供了更多机会。作为一种近乎理想的量子光子材料，金刚石有望在单一平台上集成大规模量子集成电路所需的所有组件，并有可能在环境温度下运行。

单晶金刚石出色的材料特性推动了承载大量量子光子元件的大规模金刚石QPIC的发展

迄今为止，已经在单个元件层面实现了一系列令人印象深刻的实验。这一进展得益于化学气相沉积(CVD)技术的进步：这种技术可以生长出具有量子光子学所需纯度和低缺陷密度的单晶金刚石；同时也得益于微米和纳米制造技术的进步，这种技术可以在纳米尺度上精确地塑造金刚石。然而，由数千或数百万个独立元件组成的大规模金刚石量子光子集成电路仍然遥不可及。

为了建立成熟且可扩展的金刚石量子光子集成电路，需要应对若干挑战，这些挑战可分为四个主要领域：组件、平台、集成和量子技术。在过去十年中，学术界研究了大量用于集成金刚石光子学的单个组件。例如，光栅耦合器、波导、移相器、功率耦合器、空腔、光机械谐振器、SPS、发光二极管、拉曼激光器、超连续发生和探测器都已得到验证。这些元件必须成熟，其操作必须针对选定的波长范围进行优化；为了实现可扩展的量子操作，必须大幅降低插入损耗；最后，必须将这些元件组合成标准化技术。

组件层面的挑战与平台技术的建立自然是相辅相成的。以高质量的薄膜单晶金刚石作为光子层，需要开发出一种制造工艺流程，能够同时容纳无源光子器件（如耦合器、波导）和有源元件（如光源、探测器、调制器）。相关的微结构和纳米结构技术需要从学术环境转移到与代工厂兼容的制造工艺中，以便生产出具有大量元件和高产量的电路。要构建具有数千到数百万量子比特的相干自旋控制的大规模量子电路，最合适的技术方法似乎是电子集成控制电路的紧密共同集成。

虽然电子集成电路本身是一项成熟技术，但这一集成挑战不仅需要实现电子器件与金刚石光子量子器件之间的物理接口，还需要适当的电路控制策略，这与叠加量子协议和算法的开发以及从物理层抽象到逻辑和软件操作密切相关。这种从金刚石光子层的量子效应到物理信号路由、与电子控制的接口再到量子协议的全栈集成，可以概括为量子技术挑战。

将单晶金刚石转化为大规模金刚石QPIC的路线图，涉及从物理金刚石薄膜到抽象量子算法层的各种努力，强调未来的要求以及相关的研究和工程挑战。

如图所示，建立金刚石量子光子集成电路所面临的挑战需要从物理层的科学发展、制造领域的重大创新到抽象逻辑层的新概念实施等多方面的进步。在金刚石量子光子元件层面，需要进一步改进量子自由度（如单个自旋和光子状态）的相干控制和单次读出。必须开发电驱动SPS、低损耗无源器件和片上单光子探测器(SPD)。

与之密切相关的平台挑战需要重大的技术发展。首先，要在晶圆级提供高质量的单晶金刚石薄膜，需要材料科学和工程学的进步。量子专用集成电路需要厚度为几百纳米的金刚石层，具有极佳的晶圆级均匀性、较低的表面粗糙度、弓形和内在应力，以及极佳的晶体质量和较低的缺陷密度，如杂质、空洞或位错。在晶圆级生长或层转移、抛光、压平、蚀刻、粘接等方面所需的创新远非易事，技术需要成熟才能达到所需的产量。其次，金刚石微结构和纳米结构技术必须进步，包括金刚石蚀刻程序、表面粗糙度和残余应力控制，以实现出色的尺寸控制和光子性能。第三，嵌入光活性自旋量子比特需要新颖的制造方法，以便以大规模并行的方式制造出定位精度仅为几毫米的单个色心和高产量。

如果未来的金刚石量子PIC能够直接与现有的电信基础设施（如光纤或经典光子元件和集成电路）对接，则会特别高效，这就要求对新的色心或光频转换进行研究和工程设计。

要将金刚石光子量子元件与其控制电路集成在一起，就需要采用创新方法来实现光子与电子的相互作用以及微波电路的工程设计。最后，整个量子技术堆栈必须以一种整体的方式加以解决，包括抽象到更高层次的编程策略，以及开发优化的金刚石光子量子算法，解决标准化问题，并提供可访问的PDK，这在电子集成电路行业已被证明是成功的。

总之，金刚石具有无与伦比的光泽和内部火焰，同时还具有创纪录的材料特性，这些特性已被深入探讨，以用于新兴的量子应用。金刚石晶格中光学活性色心的独特自旋特性为自旋、光子和可能的声子量子比特集成平台提供了无与伦比的前景。随着材料科学的最新进展、高质量金刚石晶片供应的增加以及微米和纳米加工技术的进步，金刚石现已成为实现集成量子光子电路的主要候选材料，并在QIP、量子传感和单分子检测等领域得到了新兴应用。数十年的研究积累了大量有关金刚石色心基本特性的知识，以及大量优化的纳米制造协议。现在时机已经成熟，应加快与产业界和代工厂的合作，将这些实验室实验提升到市场水平。

早在20世纪70年代，人们就开始研究Ta2O5（又称tantala）薄膜的光波导问题，但直到最近，才逐渐成为集成非线性和量子光子学的理想平台。几十年来，离子束溅射沉积的Ta2O5薄膜一直具有优异的光学特性，可用于从引力波探测到毫赫线宽激光器等要求最苛刻和最及时的应用。在集成光子学中，氧化硅晶片上的Ta2O5波导具有低光吸收和高折射率对比的特性，在CMOS兼容制造工艺中，其传播损耗低至3 dB m-1。值得注意的是，在电信波长上具有几百万光学品质因数的紧凑型Ta2O5微环谐振器已经得到证实，这凸显了非晶氧化物的巨大潜力，它可以与目前所有波导集成器件的基准相媲美，甚至超越这些基准，而这些器件的介电材料平台则要成熟得多。

将这些成就与Ta2O5材料从300纳米到8 μm波长的宽带透明度以及约为SiN三倍的三阶非线性Kerr系数结合起来，显然可以将Ta2O5用于集成非线性光子学应用。与硅波导相比，Ta2O5的带隙较大(3.8-5.3 eV)，非线性折射率较低，但会受到双光子和自由载流子吸收的影响。最初的工作集中在红外光谱中基于耗散克尔-索利子的光学频率梳和从红外光谱延伸到可见光谱范围的超连续产生，这得益于厚Ta2O5层中的色散工程，由于材料固有应力低，这些层在形成时没有裂缝。这些结果为集成非线性光子学提供了一个极好的起点，同时，Ta2O5还具有其他一些令人感兴趣的材料特性，使集成量子光子学受益匪浅。在

这方面，尤其令人感兴趣的是其创纪录的低热光学系数，这使得高质量因子设备能够稳定运行，特别是在低温条件下；以及极低的本征光致发光，这是在单光子水平上工作时不可或缺的要求。

(a)包覆空气的Ta2O5微环谐振器（宽度1.6 μm，高度570nm，半径46μm）的单孑子频率梳输出光谱。(b) 氧化物包层Ta2O5波导（宽1.45μm，高800nm，长5mm）中超连续光的产生与输入激光功率的函数关系。

实现Ta2O5 PIC的目的是实现无源、有源和非线性功能。此外，Ta2O5还能容纳稀土离子——包括铒，可用作增益介质，从而在芯片上提供光信号放大和激光功能。虽然目前的工作主要是将已有的器件概念移植到Ta2O5材料系统中，并在器件层面优化性能，但未来的集成电路将越来越依赖于在纳米光子网络中结合多种功能。这一点与集成量子光子学尤其相关，因为在集成量子光子学中，向大系统尺寸扩展和光子损耗的不利影响都是突出的挑战。

集成量子技术平台的基本构件必须包括量子光源、纳米光子电路元件和高效单光子探测器。Ta2O5的特殊材料特性使得所有这些关键组件都取得了进展。虽然光子量子态的产生仍然是一个挑战，但Ta2O5极具吸引力的非线性特性为生产量子光学频率梳提供了令人兴奋的前景。另一方面，Ta2O5在可见光波长下的低本征光致发光性和光学透明性也允许将各种固态量子发射器（如金刚石中的色心）与Ta2O5纳米光子电路集成在一起，而这对于SiN来说仍然是难以实现的。此外，SNSPD还能与Ta2O5波导无缝集成，提供高效、低噪声、具有优异定时特性的光子计数解决方案。对于实现可重新配置的量子光子信息处理系统而言，单模Ta2O5波导已经展示了有源和无源纳米光子电路元件。具有可调分光比的定向耦合器和多模干扰装置以及静电驱动移相器，都显示了在复杂的可编程PIC中控制干扰的适用性。

最后，远程器件之间的量子通信(QC)方案需要高效的光互连；然而，从器件级到大型系统级，需要最大限度地减少整个网络的光插入和传播损耗，并适应异构处理技术。

用于绝缘体上的 Ta2O5 的纳米光子电路组件：(a)包含量子发射器的纳米金刚石（橙色）与Ta2O5波导中的一维光子晶体腔（蓝色）耦合，用于光激发和单光子收集。(b)集成在Ta2O5波导中的SNSPD（白色）。(c)光机电移相器（上图）嵌入马赫-泽恩德干涉仪中，该干涉仪由多模干涉器件（中间）组成，可通过光栅耦合器（下图）从光纤接入。(d)全内反射耦合器（橙色）通过三维直接激光写入技术制作，为Ta2O5波导（蓝色）提供了一个高效的光学接口。

要充分发挥Ta2O5 PIC的潜力，需要更详细地研究材料吸收、杂质和不均匀性造成的光学损耗，以及设计和薄膜加工技术对红外和可见波长波导散射的影响。重要的是，对于非线性光学过程而言，强约束光学模式应实现低损耗，而单晶质量的Ta2O5薄膜在这方面提供了新的视角。不过，损耗研究还必须考虑包层材料，因为可能需要采用新的方法来最大限度地减少光吸收，例如沉积氘化二氧化硅包层，减少H-含量，这样就可以规避因需要在约600 °C下退火Ta2O5而产生的限制，从而实现低损耗波导。

Ta2O5-PIC在量子光子学方面的长期潜力在一定程度上取决于能否直接在芯片上产生纠缠光子对，将其作为量子技术所有学科的关键资源。在Ta2O5波导中已经展示了 SFWM，但非经典相关性尚未得到证实。与（量子）梳频和超连续发生类似，色散工程将在探索相位匹配条件方面发挥关键作用，从而在非线性参数增益和损耗之间取得最佳平衡。

在短期内，Ta2O5纳米光子器件目前可用的功能范围需要大幅扩展。一方面，Ta2O5工具箱中的有源和无源电路元件需要从已有的器件概念中进行补充，如高效光谱滤波器，用于分离泵浦光和所需的单光子信号。另一方面，量子发射器、有源器件和探测器的异质集成，包括在低温条件下和从紫外到红外波段的运行，对于实现量子技术的全面应用将是必要的。

从长远来看，这些功能需要在芯片级纳米光子网络中大量组合。Ta2O5已被证明适用于半导体工业工艺，但要充分利用其诱人的材料特性来实现复杂的集成量子光子电路，还需要社会各界共同努力，使代工型加工能力得到广泛应用。

总之，Ta2O5具有多种材料特性，可为集成非线性和量子技术的关键功能带来独特优势。在开发这种用于纳米光子应用的材料系统的早期阶段，就能展示出极低的损耗性能和丰富的非线性光学效应，这说明它具有超越最先进的PIC应用的巨大潜力。尤其值得注意的是，集成量子技术的关键构件已经可以在绝缘体上的Ta2O5芯片上实现，未来还有很大的改进空间，既可以采用本征材料方法，也可以采用混合材料方法。实现Q因子高达数十亿、热折射噪声低、工作波长从紫外到红外以及具有出色的功率处理能力的紧凑型器件的前景可能表明，Ta2O5可以在广泛的应用领域取代氮化硅——然而，要将这种愿景变为现实，还有许多工作要做。

光学光子在实现量子技术方面有许多吸引人的特性：它们存在于环境条件下，通常不受环境噪声的影响，而且在一定程度上可以很容易地产生、操纵和检测。由于光子可以远距离传输而不会有明显损失，因此单个光子非常适合用于量子密钥分发(QKD)，其目的是利用量子不确定性确保远距离各方之间信息的安全。然而，光子的这些特性也为实现需要单个光子之间确定性相互作用的量子技术（如光子QIP）带来了挑战。

集成光子技术将在实现长距离（如全球）、中距离（如大都市或房间大小）和短距离（如芯片间或芯片内）量子网络中发挥关键作用。然而，用于量子技术应用的光子平台的性能必须远远优于经典应用的要求，而且在某些方面还必须与经典应用有所不同。例如，量子光子学平台需要(a)超低损耗，以保存脆弱的量子态；(b)能够精确控制光子的时间和光谱分布；(c)允许快速、低损耗的光开关来路由量子信息；(d)能够在可见光和电信波长范围内工作，许多 SPS 和量子存储器都在这两个波长范围内工作，而且存在低损耗光纤；(e)具有强非线性特性，可实现高效的上下频率转换、量子转换和纠缠光子对生成；(f)可集成光电探测器和操作电子设备。

硅和氮化硅是领先的集成光子平台，但由于缺乏二阶非线性，其功能受到限制，因此无法满足上述要求。虽然可以通过晶体改性或异质集成来解决这一问题，但在效率和可扩展性等方面如何取舍仍有待观察。

TFLN已成为一种前景广阔的量子光子平台。LN对光学光子是透明的（带隙为 ∼ 4 eV）、具有很强的EO效应，可使用微波快速改变光的相位、并具有很高的二阶光学非线性，可通过铁电畴调制（即周期性极化）来实现。重要的是，4''和6'' TFLN晶圆最近已可在市场上买到，这激发了人们对这一令人兴奋的材料平台的兴趣。

集成TFLN光子学。(a) 超低损耗(3 dB m-1)光波导和高Q值谐振器（Q 值∼ 10 000 000）。(b) 微波光转换器。(c) 周期性极化TFLN频率转换器。(d) 高效宽带EOM。

TFLN纳米制造技术的突破使得光电元件的性能超越了基于块状LN的元件，为开发最先进的光子量子处理器奠定了基础。这些元件包括高带宽光子调制器（EOM，可将量子比特状态快速编码到光或低延迟路由器上）、极化波导和谐振器（可转换光子波长并产生非经典光状态）。这些器件对频域光子处理应用特别有吸引力，因为这些应用可利用光光子的宽带宽，但需要高速调制器以及移频器/分束器：后者可以通过耦合两个电驱动谐振器形成的EO光子分子来实现。

在众多挑战中，所有片上光子平台面临的共同挑战之一是传播损耗。TFLN利用TFLN波导锥形技术实现了低于3 dB m-1的超低光损耗和1.7 dB/facet的片上/片下耦合损耗

TFLN EOM的带宽已经超过100 GHz，因此足以满足许多量子应用的需要。不过，进一步降低驱动电压非常重要，尤其是在考虑实现多路复用和动态开关网络和门的时候。这些还必须与大规模微波电路连接，以实现精确控制和同步。

TFLN允许对光学光子进行 EO 控制，而不会由（低能量）微波场引起任何额外的非相关光学（噪声）光子。然而，光学频率转换会伴随着额外的噪声光子，例如由于拉曼过程引起的噪声光子，这些噪声光子必须被抑制以实现单光子级操作。这种转换对于电信波长光子与可见光波长器件（如硅光电二极管和量子存储器）的连接非常重要。因此，在原理验证演示之外，还必须进一步开发能在红外线以外波长工作的TFLN电路。这也将有利于通过非线性过程（如SPDC，可将一个可见光子转换为两个电信波长的光子）和挤压产生量子态。

TFLN设备的异构集成是实现混合系统之间高带宽光子互连的一个令人兴奋的前景，但目前仍处于起步阶段。混合系统包括声光、SPD或TFLN上的原子界面。后者可以是 QD、色心或稀土离子，它们可以充当SPS或介导光子门。TFLN上的SPD必须在最初演示的基础上加以改进，例如在效率(46%)和时间分辨率(32 ps)方面，同时还要为控制后期操作提供前馈信号。

最后，必须实现所有功能的完全集成。对于需要高对比度干扰的量子电路来说，这尤其具有挑战性，这意味着器件可能不会引入任何有关光子的区别信息。芯片必须能够抵御环境干扰，如电极产生的热量，并能长时间运行，以便进行统计相关测量。后者可能会因镧系元素的光折射而产生问题，光折射是高激光强度下折射率的变化，例如在光频转换过程中。

LN中的复用量子中继器节点，结合了金刚石量子存储器和低损耗非线性光子学

随着设备的展示和改进，光子损耗必须降低到材料极限水平——即LN的0.1 dB m-1。这样就能在超高Q值的TFLN谐振器内实现单光子级的光学非线性。大波导可确保光学模式不会与蚀刻引入的粗糙侧壁发生相互作用，从而在这方面有所帮助，但这会降低与LN的相互作用强度，从而降低器件性能。侧壁损耗可以通过蚀刻步骤的进一步优化来缓解，例如使用更纯净的腔室气体或在干蚀刻过程中更好地去除再沉积材料。必须仔细研究周围材料的作用，包括沉积氧化物的吸收或表面化学作用。此外，还可以通过抛光和退火处理TFLN生产过程中产生的缺陷，如表面粗糙度或杂质。必须对材料本身的改进进行研究，包括化学计量或掺杂TFLN，包括掺镁，这将减少光折射的影响。这些改进必须在整个晶片上保持一致，并具有可重复性。

其他基本要素（如提高调制器的环氧乙烷带宽等）也必须加以改进。对于基于谐振器的调制器，由于光学谐振宽度和电极的电阻电容限制，带宽被限制在数十GHz。行波调制器通过优化微波与光之间的速度和阻抗匹配，可将带宽提高到数百吉赫。压电损耗的作用也应考虑在内。除其他改进外，还必须解决极化精度、均匀性、可重复性和扩展性等问题。TFLN的不足之处必须通过适当的异质集成来克服，例如集成金刚石色心或利用微波频率量子声学。

目前，我们才刚刚开始看到TFLN为发展量子光子学所提供的潜力；我们必须采取进一步措施，以实现先进的、完全集成的量子功能。这将极大地推动新兴量子技术的发展，尤其是量子网络，并将改进用于经典光子学和电信的设备。展望未来，我们预计光将在量子技术中发挥重要作用，因为它能够以单一空间模式携带大量频率多路复用的量子比特信息，从而以较低的扩展开销实现克服系统损耗和错误所需的冗余。因此，重点应放在创建和改进光-物质量子比特接口上，这是一项非常适合TFLN的任务。

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