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混合集成的光量子电路 | 综述荐读
光子盒研究院
基于芯片的光量子电路的最新发展对量子信息处理产生了根本性的影响，最近，已经有学者实现了混合集成的量子密钥分发收发器芯片[npj Quantum Information volume 9, Article number: 84 (2023) ]。然而，单片式光子平台要满足大多数量子应用的严格要求具有挑战性。在单个功能单元中结合不同光子技术的混合平台具有克服单片光子电路局限性的巨大潜力。
在先前发表在《自然·光子学》上的一篇综述总结了混合量子光子集成的进展，详细讨论了重要的设计考虑因素，包括光连接和操作条件，并重点介绍了几种成功实现量子隐形传态的关键物理资源。最后，文章讨论了在固态平台之外实现未来先进的大规模混合器件的路线图——这些器件在量子信息应用方面具有巨大潜力。
集成量子光子电路是一个特别理想的技术平台，因为通过使用基于现代纳米制造技术的制造方法，它们显示出达到信息处理所需的组件集成度和性能水平的巨大潜力。特别是，这种方法具有：1）功能可扩展性，其基础是光学元件的微型化以及复制和大规模生产的能力；2）稳定性，因为电路建立在一个坚固的固态平台上，可以最大限度地减少相邻光学元件之间由于振动或温度变化而产生的偏差；以及3）可集成性，即具有互补功能的不同元件可以集成在一个电路中。
光量子电路由以下主要构件组成，是众多应用的基础：
- 单光子源，理想情况下每个激发脉冲产生一个光子，进入所需的光学模式；- 高效、快速的单光子探测器；- 可主动控制的可重构光子元件，理想情况下以中间测量结果为条件；- 超低损耗波导电路，可据此创建分束器、滤波器和延迟器等基本无源元件；- 可高保真存储和检索光子的量子存储器；- 连接不同光子元件的波长转换元件；- 用于光子-光子相互作用和确定性量子门的单光子非线性。
所需的构件种类繁多，每种构件都能完成特殊任务，这表明基于单一材料系统的现有光子元件可能不够充分。例如，硅-绝缘体平台可以提供一些所需的功能，如通过自发四波混合产生光子对、通过热光学和载流子注入效应实现可重构性、适度的低光学损耗，以及与互补金属氧化物-半导体（CMOS）兼容的潜力，从而利用先进的低延迟控制电子器件。然而，光子对的产生机制是概率性的，在相关波长（例如1550纳米的低损耗传播波长）上进行单光子检测需要其他材料，而且硅本身并不具备适合作为光子光存取量子存储器的已知机制。即使是最先进的集成光子学平台也会遇到这些限制，有鉴于此，混合光子学系统利用了不同材料的优势，同时避免了它们各自的弱点，并已成为量子光子学中一个蓬勃发展的研究领域。
混合量子集成光子学是一个令人兴奋的新兴领域。它的概念是将生长条件和集成度通常不兼容的不同构件结合到一个功能电路中，以执行特定的量子任务。连接不同平台的混合系统有可能超越其单片组件，或引入固有的缺失特性，例如，在集成检测和反馈的可扩展和可重构电路中引入按需单光子发射或光子对源。此外，混合方法也是整合某些以不同材料实现的光子元件的自然方法，例如半导体 QD、二维材料、金刚石甚至分子材料。这些元件可以通过介电或等离子波导等光导结构连接起来。
在许多方面，这一研究活动与传统应用领域的集成光子学研究工作相似，尤其是硅光子学必须面对单片激光集成的限制（由于硅的间接带隙），而III-V半导体材料的异质集成已经实现。
构建理想的混合集成量子光子器件需要在实现特定元件的最佳性能与其混合集成潜力之间进行权衡。从一开始，这就需要考虑一般的设计因素，我们将在下文中逐一讨论。
1）关键元件的选择
为量子混合器件选择元件的一个自然起点是单片平台，因为它的潜在集成度已经很高。下表介绍了几种最先进的单片量子光子平台，突出了它们在单光子产生、固态量子比特实现潜力、密集集成的线性损耗等方面的优缺点。
硅基光子技术是最成熟的光子平台，这主要得益于直接借鉴电子工业CMOS工艺的先进集成技术。室温操作以及较大的指数对比使这一平台成为实现大规模无源光网络的理想平台。
然而，单光子发射的概率性质，加上实现低损耗和高速电光调制以快速重新配置量子光子电路的挑战，使得以高操作速率扩展电路具有挑战性。其他量子光子平台规避了其中的一些挑战，例如，铌酸锂和氮化铝都提供了基于波克尔斯效应的低插入损耗超快光学调制的可能性，而III-V量子点（QD）和金刚石色心则提供了按需单光子发射、集成量子存储器和实现确定性量子门的可能性。
金刚石作为量子光子学的单片材料，需要在低指数包层或悬浮结构上形成厚度约为200纳米的单晶薄膜。悬浮结构可通过键合和离子切片技术实现，而低指数包层则可由大块金刚石基底形成，但制造大规模悬浮电路的可行性尚不清楚。然而，在合适的光子几何结构中，QD表现出接近理想的单光子发射、纠缠光子对生成以及作为固态自旋量子比特的潜在用途；但是，仍然存在许多挑战。主要问题是其位置的随机性和发射波长的分散，这是典型QD生长机制的结果。此外，III-V族平台的线性损耗很高，因为无源路由元件包含不需要的随机定位发射器，这大大增加了整体波导损耗。
现在，通过利用单片光子平台所具有的显著个体特性，可以实现混合集成。例如，最近的几项研究都围绕着将单量子发射器与光子电路集成的方法展开，单量子发射器具有触发单光子发射的潜力，且不存在固有的多光子抑制/光源亮度权衡问题，而光子电路的材料损耗要比发射器原生生长/封装的材料低得多，因此可以集成超导单光子探测器。
工作温度是选择混合集成元件时需要考虑的一个重要条件；例如，许多单量子发射器和超导单光子探测器需要在4K或以下的低温条件下工作。
除了在共用平台中使用不同器件可能造成的热失配外，室温集成光子学中常用的某些功能也可能失效。例如，基于氮化硅和硅等材料中常用的热光学效应和自由载流子等离子体色散效应的光学相位控制（在适当的几何结构（如马赫-泽恩德干涉仪或微波谐振器）中使用时，可转化为开关和调制）在低温条件下的效率会大大降低。目前正在开展多项工作，以了解电光介质在低温下的性能（也用于微波到光量子态传导等应用）；不过，使用多芯片集成的模块化方法可能会扩展到芯片在不同环境中运行（并可能通过光纤连接）的情况。
另一个重要的设计特点是考虑片上混合集成的难度与所获得的性能提升。这直接导致了混合光子集成设计考虑的一个关键方面：在一个芯片上集成不同的材料，而不是通过光子连接（即光纤）以模块化方式耦合多个器件。有些光子元件适合混合集成，如量子源和探测器；然而，其他元件可能更容易在系统层面上进行组合，如原子/离子量子器件，然后有可能与现有光纤网络耦合，用于量子互联网应用。
3）光连接
光子集成混合平台上的不同元件，甚至不同芯片上的不同元件，都可以用光模块化的方式连接起来
幸运的是，集成光子电路得益于一种稳健且低损耗的解决方案：绝热锥，光从第一种材料中的一个波导向第二种材料中的另一个波导渐变耦合。这种蒸发耦合既有光谱宽带，又有很高的效率（原则上可以达到接近统一的效率，实验证明效率>98%）。因此，适当设计的绝热锥不仅能增加模式重叠，还能使波导相位速度相匹配
考虑到实现量子隐形传态器件的集成复杂性，似乎还需要多芯片集成。实现不同芯片之间的低损耗光连接是集成光子学领域公认的挑战：典型的方法包括微光学和直接面对面耦合。光子结构三维打印的最新研究成果为光子电路的新颖组合和连接方式提供了重要的可能性，也为光子多芯片系统的自动化组装提供了可能。
此外，其他可能性还包括在波导面和光栅上直接打印自由形态光学元件，以便在具有不同模式剖面的不同导光材料之间实现所需的光束整形。由反射镜和透镜组成的复杂微尺度光学系统可用于光子的路由，提高量子光源的收集效率，并有可能使发射与已有的光纤网络相匹配。
4）大规模集成
要想大规模利用量子现象的真正潜力，光子系统（至少大部分）需要与基于代工厂的制造工艺兼容。硅光子技术为利用先进的CMOS处理技术进行扩展提供了一条非常有前景的途径。研究表明，16个光子对源可同时泵浦，产生多维纠缠态。量子和经典光子电路在芯片间和芯片内的扩展方面面临相同的挑战。在经典光子电路中，由于存在信号放大的可能性，固有电路损耗和芯片间耦合损耗的影响较小，而量子电路对损耗更为敏感（无克隆定理），这对不同元件的性能提出了更严格的要求。
幸运的是，量子光子技术可以从经典光子研究的巨大进步中获益。经典光子研究通过优化无源和有源电路的大规模集成、实施高效的芯片-芯片和芯片-光纤耦合器以及封装，不断推动可扩展系统的发展。混合量子光子电路即将面临的挑战是实现混合技术，同时保持特定量子应用所需的公差，并进行大规模实施。这将对设计和制造标准提出严格要求，以便在保持集成材料兼容性的同时，从少量量子器件的概念验证演示发展到完整的大规模多芯片系统。
迄今为止，混合光量子系统的设计主要依赖于对单个组件关键物理特性的了解，设计考虑的参数空间较小。随着系统复杂性的增加：以数十或数百个量子比特为目标、覆盖较大带宽范围、跨越多种光编码方式（即空间或模态）、结合具有不同折射率和光模式剖面的材料以及承载不同性质的量子源（即确定性或按需性），更复杂的设计方法可以大大提高系统的整体性能。
我们现在讨论混合集成的三种重要方法，强调它们的优势和技术挑战：(1) 晶圆键合（wafer bonding）；(2) 转印（transfer printing）；(3) 拾取与贴装（pick and place）。
在图示的晶圆键合技术中，包含量子源或存储器的基底可以键合到另一种光子材料上，该技术已成功用于将III-V外延生长的QD源与氮化硅光子电路进行芯片级键合，以及将含有单光子发射彩色中心的4H-SiC与硅晶片上的二氧化硅进行键合。键合后，通过机械研磨、化学机械抛光或化学蚀刻等方法去除牺牲层，露出光子电路层。在III-V族硅的例子中，键合是通过低温等离子激活直接键合实现的。然后对牺牲层进行化学蚀刻，形成含有砷化铟/砷化镓QD的高质量砷化镓薄层，并将其与硅光子层耦合。
这种方法在大规模集成硅光子学和III-V光子学方面具有巨大潜力，并已应用于经典光子学领域，将激光器与硅光子学集成在一起 。它提供了一种可扩展的、自上而下的异质方法，可扩展到集成有源和无源光子电路元件，其精确度和可重复性低于50纳米，严格由光刻技术定义。然而，一个主要挑战是QD分布在光谱和空间上的随机性。虽然可以使用各种定位技术来确定QD的相关空间和光谱信息，但它们的随机位置和发射特性的分布对光子电路的设计造成了限制。
我们注意到，大规模半导体膜的转移也可通过外延升离技术实现，在该技术中，相关器件层通过选择性欠蚀刻从其原始宿主基底释放，然后转移到目标宿主基底。
第二种方法是转印，这种方法在降低位置不确定性的同时，也牺牲了部分缩放能力。在此过程中，首先可以将聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的橡皮图章图案化，然后利用高精度定位系统将其放置在要转移的悬浮结构上。当橡胶印章从表面快速剥离时，它可以携带悬浮结构，然后通过范德华力将其粘合到目标芯片上。如图所示，利用这种技术将具有一维空腔的砷化铟/砷化镓QD结构转移到了硅基波导上。转印还被用于将二维材料集成到氮化硅波导 中，这对利用化学气相沉积生长实现单光子源阵列具有巨大潜力，可通过量子约束斯塔克效应对其进行电泵浦和调谐。
此外，类似的技术还被用于将硒化镓晶体与介质波导耦合，为在现有电路中加入稳健、按需的单光子源提供了一种方法。尽管转移印刷技术前景广阔，但要将一个且仅有一个量子发射器限制在转移结构中仍存在挑战；如果不这样做，就需要进行光谱过滤以隔离目标量子发射器，从而限制了面内激发的可能性，而这对大规模电路至关重要。
拾取与贴装技术具有与转移印刷类似的扩展潜力，在可转移的器件类型方面具有更广泛的通用性。如图所示，该方法使用纳米操纵器在光学显微镜 （可与原子力显微镜结合使用）或扫描电子显微镜下拾取和放置某些量子光子元件（如光源或探测器）。所需的元件通过范德华力附着在纳米机械手尖端，范德华力可以大到足以使所需的光子器件脱离母基底，或者通过聚焦离子束的帮助。该方法用于解决以往量子发射器光谱特性和位置随机性方面的难题：含有单个磷砷化铟QD的定点控制磷化铟纳米线被确定性地集成到氮化硅光子电路中，包括对接耦合 和封装。
拾取与贴装技术还用于转移一系列其他光子元件，包括悬浮砷化铟/磷化铟QD结构和在氮化硅膜上制造的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）到氮化铝波导。最后，我们注意到，与晶圆键合技术相比，拾取-贴装和转移-印刷技术的一个重要优势是可以对要转移的结构进行预筛选，以确保只集成高性能结构。
如今，基于选定的单片元件并利用前两述的制造技术，集成量子器件的若干关键物理资源已经实现。我们现在将介绍几个关键物理量子元件混合集成的例子，这些元件不仅是量子隐形传态所需的，也是量子中继器或量子模拟器等其他设备所需的。
1）量子源的混合集成
任何光量子芯片的起点都是单光子源。对于集成光量子学来说，它们主要依赖于两种不同的过程。第一种是概率性的，依靠二阶和三阶非线性，如自发参量下变频和四波混频来概率性地产生光子对；第二个过程是按需使用单量子发射器中的光学活性跃迁。理想的按需单光子源在每个激发脉冲中产生一个（且只有一个）光子，进入所需的收集通道（例如光纤），所有产生的光子都是相同的，光源重复率为千兆赫或更高。
自从首次观测到原子的光子反束现象以来，人们就知道孤立的单量子发射器可以形成这样的光源，因为在发射过程中亮度和多光子概率之间没有根本性的权衡。为了寻找这种光源，人们研究了多种候选物质，包括金刚石和碳化硅中的色心、III-V族QD、碳纳米管、单分子、离子和中性原子以及二维材料中的“缺陷”。在QD中，可以利用级联衰变产生光子对，甚至是纠缠态的光子对。
值得注意的是，如果我们只考虑可单片集成在平面光子电路中的发射器，可用的单光子源就会大大减少。此外，由于在材料中限制光的挑战，单片集成对于某些量子源来说并不可行。下图展示了光子光导元件中单光子发射器混合集成的三个实例。
量子源的混合集成领域正在迅速发展，包括集成材料的类型和集成方法。
2）混合电路重组元件
动态电路重组是经典应用和量子应用共享的重要资源。集成器件光学特性在飞行时间尺度上的快速变化，对于线性光学量子计算或隐形传态的量子比特进行旋转的前馈操作至关重要。此外，对于概率单光子源，空间和时间复用方案可以提高单光子发射的确定性。
铌酸锂具有较大的非线性，为按需单光子源对单光子进行快速电光控制打开了大门。在硅材料中实现超低插入损耗的片上快速电光调制非常具有挑战性。这就促使人们最近努力提高有效非线性，并研究氮化铝和绝缘体铌酸锂中的快速低损耗电光开关。然而，在缺乏固有二阶非线性的平台（如具有先进集成技术和工业潜力的硅光子学）上实现同样的功能仍然是可取的。
混合集成技术用于集成大波克尔斯效应材料，例如钛酸钡和铌酸锂，分别实现了50 Gbit s-1和100 Gbit s-1的片上调制。所开发的制造工艺还可应用于氮化硅等其他不具备电子光学调制功能的低损耗材料，从而通过直接芯片耦合将具有快速电子光学调制功能的可重构电路与多个III-V量子发射器连接起来。
3）混合电路中的单光子探测器
可与有源和无源元件无缝集成的高效单光子探测器是几乎所有量子电路，尤其是量子隐形传态器件的关键资源。
虽然人们已经探索了许多基于半导体的技术，但事实证明，单光子探测器在探测效率、时间抖动和暗噪方面具有卓越的性能。
波导耦合SNSPD具有高片上检测效率（>90%）、低暗计数率（<1 Hz）和高定时分辨率（<20 ps）。SNSPD由超导薄膜制备而成。硅化钨、硅化钼和氮化铌钛等几种超导材料可在室温下沉积在多种基底上，从而促进了与光子电路的混合集成。展望未来，要将SNSPD与复杂的、可动态重新配置的光子架构相结合，以实现主动反馈操作，还需要与外部电子电路的接口，以利用它们的卓越性能。
4）混合存储设备和非线性元件
用于高保真存储和检索光子量子比特的量子存储器是许多量子信息应用的核心。理想的存储器应具备以下几个特点：
- 从/到特定光学模式的100%捕获和释放效率；- 按需读取，存储时间长于建立片上纠缠或重新配置光子电路所需的时间；- 千兆赫带宽；- 在电信波长下运行，以便通过光纤网络传输；- 每次存储的附加噪声可忽略不计；- 坚固耐用，易于使用和与其他密集光子电路集成。
目前，有几种方法正在研究之中，包括将铷原子耦合到光子结构、原子频率梳、金刚石中的长寿命自旋态或晶体中的稀土离子。要在大规模量子光子系统中集成这种存储器，需要进行混合集成。由于量子计算机和中继器等多个量子信息系统都需要可单独控制的长寿命量子存储器，而氮空位中心的自旋态相干时间可达秒量级，因此这一成果尤为有趣。
除了存储器，另一个关键因素是量子逻辑元件。单光子级的强非线性可使逻辑运算在经典和量子信息技术中的开销更小。这种非线性元件可以实现重要的量子信息任务，如可控相干耦合和可区分系统的纠缠，并有望降低片上量子计算的开销要求。
最后，非线性（更多是经典意义上的非线性）是在单光子水平上实现光量子频率转换所必需的，其附加噪声可忽略不计。需要这种转换来连接在不同波长下工作的光子元件，例如一方面是集成量子存储器，另一方面是在电信波段光纤中传播的光子。它还可用于补偿多个量子发射器 （例如QD）发射波长的不匹配。
按需光子波长转换最近在模块化芯片级混合系统中得以实现。来自QD的量子光被耦合到氮化硅集成非线性谐振器上，单光子在近红外波段内的转换效率为12%，同时保持了亚泊松比统计量和有限的附加噪声。
利用上节所述的几个关键元件混合集成，就出现了第一批混合光量子器件。
上图展示了三个例子，所有这些设备的复杂程度还达不到我们在本综述开头介绍的隐形传统器的要求。不过，我们已经取得了长足的进步，尤其是在按需集成各种单光子源和光子电路方面。随着探测器的进一步集成，现在，构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”已经实现，拥有更多量子比特的混合量子光子模拟器已指日可待。
实现光量子电路高度混合集成的许多元件和方法已经存在，不过，要从迄今为止展示的单个/少数元件级别发展到本综述开头为我们的传送器设想的完全功能模块和系统，还需要付出大量努力。
在没有量子存储器的情况下，我们的示例传送电路由经典光子元件组成，并辅以大量光子源资源和庞大的高效探测器阵列。可扩展性的真正进步无疑是电路中的光子数量从现有的几个增加到几百个。在量子比特的数量方面，光子量子模拟可以与今天在光学晶格中使用冷原子进行的量子模拟相媲美。此外，还可以实现概率线性光量子门，包括提高其效率的隐形传态。如果不在一个超低损耗和可重新配置的芯片上实现高度集成，要做到这一点是不现实的。
然而，一个主要障碍是，集成在这样一个平台上的超导探测器（以及大多数基于量子发射器的源/量子比特）需要低温，而经典电路更喜欢室温。然而，室温芯片与低温探测器之间的光连接非常麻烦，而且会造成损耗。由于超导不可避免地需要低温，唯一的办法就是进一步开发低损耗、可配置的低温光子电路。在使用最有前途的无差别和/或纠缠光子资源（即光子对源）时，另一个障碍是非概率光子对的生成，尽管多路复用可以提高预示概率。同样，在一个芯片上集成多个光子对源、探测器、快速开关和延迟线也是扩大规模的可行途径。
在技术方面，集成芯片上的量子元件通常通过额外的光学或微波控制脉冲来初始化、操纵或读出。例如，为了初始化量子点的自旋态，通常需要提供垂直于衬底平面的偏振泵浦光，而这通常是通过自由空间光束实现的。因此，进一步的集成需要进入三维空间。此外，随着用于量子计算的超导量子比特的巨大进步，微波域和光学域之间的相干变换器对于连接光子和超导量子比特变得非常重要。应用于低温混合芯片的光或微波控制脉冲需要谨慎的热管理。如果需要将多个在不同温度下工作的混合芯片（毫开尔文用于存储，开尔文用于量子控制，室温用于电子设备）组合起来，并以紧凑的模块形式进行光学或电子连接，情况也是如此。
如上所述，混合光子集成为材料集成提供了令人兴奋的新可能性，只要它能解决或规避所面临的一些重大挑战，如大规模缩放、光学损耗、不同光子元件的匹配以及作为飞行量子比特的光子的近乎确定性生成等，就有可能成为量子光学信息处理的可行途径。未来，我们可以设想更多层次的混合集成。其中一个方向是，不仅要在一个芯片上集成不同的（主要是单片）元件，还要将不同的物理系统结合起来。
另一种令人兴奋的方法是将离子或原子提供的长相干时间和强相互作用与光子集成电路结合起来。这种新层次的混合集成还将为实现具有长相干时间的量子存储元件提供一条途径。量子存储元件是目前最困难的挑战之一，即使是不太复杂但能够将微弱光脉冲存储几毫秒的集成元件，作为延迟线或用于同步，即使是在纯经典应用中，仍然非常有用。
碱气电池中集成光子源的光子延迟和最终存储已经得到证实。尽管已有用于磁力测量等应用的微集成气体电池91 或气体填充微结构纤维技术，但这种方法的全面集成仍未实现。从这个意义上说，我们也可以设想光子芯片和原子芯片的融合。
毕竟，量子光子混合集成在很大程度上是一项非常先进的工程任务；不过，这种追求最高量子性能的方法对于未来的集成光子学整体来说非常有价值。
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