荷兰公司宣布开发出世界上最大的通用量子光子处理器

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见 闵青云 选编

7月21日，荷兰公司QuiX宣布开发出迄今为止最大的通用量子光子处理器：一个基于化学计量氮化硅波导的低损耗12模式全可调谐全模式耦合线性干涉仪。报告了该成果的论文以Accepted Manuscript的形式在IOPscience公开。

光子处理器对于利用光的量子和经典信息处理任务都至关重要。特别是线性光量子信息处理需要大规模和低损耗的可编程光子处理器。

QuiX的首席技术官Jelmer Renema说：「通过这项工作，我们不仅展示了在光量子计算商业领域的领先地位，还展示了在量子光子工程技术发展领域的领先地位。」

九章1.0和九章2.0分别为100模式和144模式，加拿大公司Xanadu也宣布推出8模式、12模式和24模式的处理器。QuiX之所以宣称推出了最大的通用量子光子处理器，是因为他们认为九章是一种专用系统，不能实现通用；至于Xanadu，该公司在今年3月发表的论文中只实现了8模式的动态编程，其他两款处理器并未发文。

但需要说明的是，QuiX光子处理器所谓的通用性还没有在实际问题上得到验证。

什么是通用光子处理器

光子处理器，也称为通用多端口干涉仪(UMI)或光子FPGA，其在许多领域的应用，例如基于线性光学的量子信息处理、量子中继器网络、(量子)机器学习和射频信号处理，引起了人们越来越多的关注。光子处理器是一种可调谐多模式干涉仪，可以实现任意线性光学变换。文献中已提出了各种实现方法，其中光子处理器被布置在许多不同的拓扑中：三角形、菱形、扇形、正方形、六角形等。

线性光学量子信息处理在解决特定问题方面有着巨大的前景，其计算能力比经典计算机要大得多。最近在静态光学系统中量子优势(九章)的证明，显示了对可编程光子处理器的迫切需要。

线性光学量子信息处理的基本过程是量子干涉。要利用它，就需要一个由光子源、光子处理器和单光子探测器组成的装置。光子被用作信息载体，由线性光学元件构成的光子处理器将通过让光子以受控的方式进行干涉来处理量子信息。通过观察探测到的光子的输出样本的布局，可以读出光子计算的结果。

光子量子信息处理对光子处理器提出了4个要求。首先，处理器必须是大规模的，因为这增加了可以解决的问题的复杂性。其次，它必须是通用的，因为这样可以实现将系统映射到各种问题的任意转换。对于通用性而言，全连通性(n个输入到n个输出)和完全可重构性是实现n维通用转换的必要条件。第三，它必须是低损耗的，否则单光子携带的(量子)信息就会丢失。最后，光子处理器需要保留量子干涉。

QuiX的12模式光子处理器

QuiX的文章描述了一种基于化学计量氮化硅波导的12模式低损耗(端到端5 dB)可重构光子处理器，宣称是迄今为止最大的通用光子处理器。最终结果表明，经典和量子表征完全可重构，低损耗，高保真操作实现。

光子处理器包括三部分：集成氮化硅光子芯片、配套设备和控制其功能的软件。

处理器的核心是一个基于化学计量氮化硅(Si3N4)波导的可重构光子集成电路，采用TripleX技术(该公司专有的氮化硅波导技术)。由于采用这种材料，传播损耗可以低至0.1 dB/cm，最小弯曲半径为100μm。光子处理器中使用的波导横截面是不对称双条纹(ADS)，如图1(a)所示。波导被设计为在1550 nm波长下单模式工作。ADS波导使用模斑转换器实现与标准电信光纤的低损耗耦合，通过绝热锥化去除上部氮化硅条纹。

光子处理器的可重构性是通过1 mm长的铂移相器的电阻加热利用热光效应实现的。

图1 QuiX光子处理器概述。(a)用于波导的非对称双条纹截面的示意图和扫描电镜照片。(b)12模式光子处理器的功能设计。蓝线代表一个可调谐分束器(TBS)，由Mach-Zehnder干涉仪实现，带有两个50:50定向耦合器(黑线)和一个热光移相器(红线)。校准单元时，光被注入，例如，在顶部输入，同时监控两个输出。(c)安装在控制箱内的12模式处理器光子组件的图片。(b)QuiX控制系统示意图，即通过Python中的软件界面远程控制控制箱。

QuiX处理器的功能设计如图1(b)所示。光学单元是由底部输出模式上的可调谐分束器(蓝线)和移相器(红线)组成的，在12个输入/输出模式和12个电路深度的正方形拓扑上重复66次。（电路深度定义为输入模式在光的传播方向上遇到的最大单元数。）24个额外的移相器分布在输入和输出端，用于亚波长延迟补偿和外部相位调谐。处理器总共包含156个移相器。可调谐分束器由Mach-Zehnder干涉仪实现，该干涉仪由两个50:50定向耦合器（图1(b)中的黑线）和一个内部移相器θ组成，然后就是外部移相器Φ，在底部输出模式。每个单位单元代表一个大规模干涉仪的节点，光可以在这里进行干涉。

上面介绍的光子处理器嵌入在包括电子和温度控制模块的控制箱中(图1(c)和1(d))。

可重构光子集成电路采用保偏光纤阵列进行光的进出耦合。为了便于操作，输入和输出光纤通过PM匹配套管固定在控制箱的前面板上。他们测量24个PM配对套管的平均损耗约为0.18 dB/连接器。

QuiX制作了一块印刷电路板(PCB)，并将其与光子处理器进行了打线。共有132个电压驱动器连接到PCB，通过与标准PC的串行通信实现每个热光移相器的独立调谐。光子处理器的温度控制和稳定性是通过主动冷却实现的。

最后，通过改变Mach-Zehnder干涉仪的内部相位θ和外部相位Φ超过2π，可以在特殊幺正群SU(2)中进行任何变换。必须注意的是，处理器的作用总是由相同的经典传输矩阵S来描述，而与输入状态的性质无关。

光子的不可分辨性得以保持

研究人员首先通过经典表征演示了处理器的完全控制，然后他们将QuiX硬件连接到量子光源上，如图2(b)所示。

量子干涉实验在整个光子处理器上进行，评估处理器在多大程度上保持了输入单个光子的不可分辨性。这项测量测试了单光子上的所有可分辨性源，例如依赖路径的色散。

图2(a)&(b)经典和量子表征的实验装置。(a)连续光由1550nm的二极管激光器产生，并通过PM 1x8光纤开关注入QuiX系统的每个输入通道。而光在芯片中传播后，由12个光电二极管阵列探测，每个输出通道一个。(b)775nm的激光泵浦非线性PPKTP晶体，产生红外共线交叉偏振光子对。在通过偏振分束器(PBS)进行偏振分离后，每个单光子撞击到光纤耦合收集器(FC)上并被注入芯片。其中的一个收集器在平移延迟台上移动，以在时间上重叠产生的光子。输出端的单光子由两个超导纳米线单光子探测器(SNSPD)探测，并进行符合测量。

通过在可调谐光纤分束器上进行HOM干涉实验，单光子源被分别表征，其可见度为0.93。通过选择成对输入，QuiX在处理器上的每一个可调谐分束器(TBS)上进行HOM干涉实验(图4)。

66个HOM干涉实验的可见度分布平均值为0.923。左边的两个异常值是TBS#136和#140，如图3所示。

图3 66个HOM干涉实验的可见度分布平均值为0.923

简言之，文章报道了一种基于氮化硅波导的12模式全可重构通用光子处理器。处理器被嵌入到控制系统中，可以远程实现其光学功能性和可重构性。系统工作波长为1550 nm，插入损耗约为5dB(所有光路的平均值)。

该处理器的132个可调谐元件均具有2π以上的相移和高消光比。在1036个幺正变换上测量高保真度。高可见度的量子干涉可以在整个处理器上复制，也就是说，光子的不可分辨性得以保持。

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2633-4356/ac168c

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