混合集成量子光路

撰稿 | Rain

01

导读

正如微电子技术通过集成电路的发明改变了现代世界一样，量子光子学也需要一个同等的平台来发挥其应用潜力。混合集成光量子系统是指将产生、操作和检测非经典光的元件集成在一个稳定、高效的平台上。它突破了单个材料平台的许多限制，但同时也带来了由于不同材料集成而产生的新挑战。

近期，来自瑞典皇家理工学院、德国明斯特大学、美国国家标准与技术研究院等单位的研究人员在 Nature Photonics 联合发表了综述文章，介绍了片上混合集成量子光路的技术要求和实现方式，回顾了其发展现状，并展望了混合光量子技术在固态平台之外的发展方向。

图 1 混合集成量子光路

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Box 1)

02

背景介绍

光量子系统是量子通信、量子传感、量子计算与仿真等现代量子技术实现和发展的载体。随着微纳加工技术的发展，兼具可扩展性、强稳定性、高集成度的量子光路是极具前景的技术平台。

量子光路主要由单光子源、单光子探测器、可重构光学元件、超低损耗波导、量子存储器、波长转换元件等构成。量子光路中的各个部分不能在单一材料的系统中全部实现，所以混合集成量子光路是大势所趋。

混合集成量子光路的概念是将生长条件和集成上通常不相容的不同构件组合在同一个功能光路中，以执行特定的量子任务。

混合集成的概念在光学领域并不陌生——III-V族激光器和硅光子光路已经通过晶片键合、纳米线键合和转印等方法实现了混合集成。现在，这些混合集成技术同样的被用于量子光学，助力光量子技术的发展。

文章详细介绍了集成光子学领域在结合不同材料和光子芯片方面所做的努力，以实现单个材料系统难以实现的最佳的互补功能。

集成光量子芯片有望为执行量子通信和信息处理等任务提供方便、可扩展的平台。

03

混合集成量子光路的设计思路

理想的混合集成光量子器件的设计需要在元件的最佳性能和混合集成的难易程度之间进行权衡，并依次从集成平台、工作条件、互联方式等方面进行选择与设计。

3.1

平台选择

混合集成量子光路的设计中平台的选择是第一要务。目前可为这一架构提供基础平台的材料包括二氧化硅、SOI、铌酸锂（薄膜）、氮化铝、砷化镓和金刚石等。

硅基光路平台的CMOS加工兼容、室温操控、高折射率差等优势使其成为当之无愧的最成熟、普遍的光子平台。然而，光量子系统中单光子发射的概率特性加上对低损耗高速电光调制以动态重构量子光路的需求，使得在硅片上的大规模集成高运行率的光路极具挑战。

而铌酸锂和氮化铝等平台可通过泡克尔斯效应(Pockels effect)实现低损超快光学调制。III-V族量子点(quantum dots)和金刚石色心可实现单光子发射源、集成量子存储器和确定性量子门。但III-V族量子点存在位置随机性、发射波长扩散和III-V族材料损耗大等弊端，金刚石存在难以大规模集成加工的弊端。

平台选择时需要综合考虑单片平台材料的功能（单光子产生、固态量子比特、电光开关），波导特性（损耗、透光率、折射率差）和与其他系统的兼容性（工作温度、光纤耦合难易程度）等。目前，已有一些研究将单量子发射器、低损耗光路元件和超导单光子探测器进行了混合集成，证明了混合集成的可行性。

3.2

工作条件

混合集成设计在选择元件时要考虑的一个重要条件是工作温度。例如，许多单量子发射器和超导单光子探测器需要4K或以下的低温操作。除了在同一的平台中使用不同的器件潜在的热失配之外，室温下集成光子学中某些常用功能也可能会失效。电光材料在低温下的性能是一个研究方向。另外，用光纤连接不同工作环境下的芯片实现模块化集成也是一种妥协方式。

图 2 不同工作温度的元件集成

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 1)

3.3

光学互联

在集成光学平台上，我们还必须考虑不同元件间的连接方式。光学互联是指在一个光子集成的混合平台上，甚至在不同的芯片间，不同的元件通过光以模块化的方式连接起来。光学互联中最重要的评价指标即连接中产生的损耗。绝热锥形结构和夹层光栅耦合器是可以实现不同材料之间稳定和低损耗连接的有效途径。

考虑到实现量子态隐形传送等功能的复杂度，目前来看，多芯片集成仍不可或缺。在不同芯片之间实现低损耗的光学互联比较困难，典型的方法包括利用微型光学元件和直接面-面耦合。近期，一项关于光子结构三维打印的最新研究为光路连接提供了新颖的思路，展现了这一技术在自动化装配光学多芯片系统的潜力。此外，由反射镜和透镜组成的复杂微型光学系统可以用于光子路由和提高量子光源的收集效率，并有可能匹配到现有的光纤 络。

图 3 不同芯片间通过光子线键合实现连互联

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 1)

3.4

大规模集成

为了大规模利用量子光学的真正潜能，整个光子系统，或者说至少是大部分光子系统的设计，需要与代工厂的加工能力兼容。量子光子技术可以秉承经典光学研究中取得的巨大进步和成果。经典光学研究中已通过优化无源和有源光路的大规模集成，不断推动可扩展系统的研究，实现高效的芯片-芯片、芯片-光纤的耦合与封装。

到目前为止，混合光量子系统的设计主要依赖于单个元件的关键物理特性。而随着系统复杂度的增加——目标是数十、数百个量子位元，覆盖大的带宽范围，跨越数种光学编码方式，将不同折射率和光学模式的材料结合，并考虑不同性质的量子源。反向设计和计算机辅助设计为实现复杂混合光子系统提供了帮助。

图 4 大规模混合集成光路

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 1)

04

混合集成量子光路的加工方法

混合集成有三种主要的加工方法：(1)晶圆键合法(wafer bonding)，(2)转印法(transfer printing)，(3)取放法(pick and place)。

晶圆键合法将包含量子源或量子存储的衬底材料通过晶圆键合与另一种光学材料结合。在III-V族材料与硅键合的过程中，需要低温和等离子体激活下的直接键合。随后通过化学刻蚀牺牲层获得高质量的包含量子点的III-V族材料薄层，通过倏逝场与硅基光子元件耦合。这一方法提供了一个可扩展的自上而下混合集成的方法，可以高精度、可重复的实现有源、无源光学元件的组合。但是，晶圆键合法的主要挑战是量子点在空间和光谱上分布的随机性。虽然各种定位技术可以用来确认量子点的空间和光谱信息，但他们随机的位置和发射波长扩散特性仍限制了光路的设计。

转印法将量子器件通过PDMS和高精度位移台从一个芯片转移到另一个目标光学芯片上。它规避了量子点位置不确定性带来的问题，但同时也牺牲了部分可扩展能力。这一方法难以将单个量子发射源限制在转移结构中，需要借助滤波来隔离目标量子发射源。

取放法利用光学显微镜（可结合原子力显微镜）或扫描电镜进行纳米尺度的操作。用一个纳米操纵器去拾取和放置光量子元件，元件通过范德华力足以将光子器件从母体基底分离出来，并附着在纳米操纵器的尖端。聚焦离子束也可以作为辅助，将光子器件分离。这一方法相较于与转印法适用范围更加广泛，也可以解决量子发射光谱和位置的随机性的问题。

图 5 混合集成的三种加工方法

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 2)

05

混合集成量子光路的关键物理元件

基于上文介绍的设计和加工方法，以将图1展示的量子隐形传送作为参考，接下来介绍混合集成量子光路中的关键物理元件，它们在除了量子隐形传送外，还在包括如量子中继器和量子模拟器等的其他器件中具有重要作用。

5.1

混合集成量子源

所有光量子芯片的起点都是单光子源。集成量子光路中的单光子源主要包括两个过程。第一个是概率性的，它依赖于二阶和三阶非线性，如自发参数下行转换和四波混频，以一定概率产生光子对。自发参数下行转换是产生不可区分的全同光子较为理想的方法。第二个过程是在在单个量子发射器中按需利用光学有源跃迁。理想的单光子源在每个激发脉冲中产生一个(且只有一个)光子到所需的采集通道(例如光纤)中。所有产生的光子都是相同的，脉冲源的重复频率为千兆赫兹乃至更高。目前可作为单光子源的材料包括金刚石色心，碳化硅，III-V族量子点，碳纳米管，单分子、离子和中性原子，以及二维材料缺陷。

混合集成领域的量子源随着材料进步和集成方式的改进而迅速发展。但目前仍存在着先前提到的需要低温下操作来保持亚泊松分布和不可区分性的问题。近期，采用剥落(exfoliation)和冲压(stamping)技术实现了室温下缺陷态六方氮化硼单光子源与氮化铝波导的集成，这也证明了二维材料缺陷态作为明亮单光子源的潜力。

图 6 六方氮化硼(hBN)单光子发射器与氮化铝波导的耦合

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 3)

5.2

混合集成可重构元件

动态光路可重构性是经典与量子光学应用中共有的重要特性。集成器件的光学特性在飞行时间(time-of-flight, TOF)尺度上的快速变化，对于实现线性光学、量子计算和隐形传送中对量子比特旋转的前馈操作至关重要。

下图为工作在通信波段的砷化铟/磷化铟量子点以纳米级别的精度与铌酸锂光路实现集成，利用铌酸锂较大的非线性系数对单光子进行超快电光控制。在缺少二阶非线性的材料中，如硅，可通过混合集成将其与具有较大泡克尔斯系数的材料如钛酸钡和铌酸锂集成起来，实现上百Gbit/s的调制率。在没有电光调制能力但光学损耗低的材料上，如氮化硅，直接的片-片耦合可以将多个III-V族量子发射器集成到具有快速电光调制的可重构光路中。

图 7 混合集成可重构元件

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 3)

5.3

混合集成单光子探测器

高效单光子探测器与有源、无源元件的集成是几乎所有量子光路，特别是量子隐形传送的关键条件。基于超导纳米线的单光子探测器(SNSPD)已被证明在探测效率、时间抖动和暗噪声等方面具有优越性能。波导耦合的SNSPDs可实现片上高传送效率(>90%)，低暗计数率(<1 Hz)和高时间分辨率(<20 ps)。SNSPDs的原材料是超导薄膜。

超导材料包括硅化钨、硅化钼和氮化铌钛，可以在很多衬底上进行室温沉积，便于光路的混合集成。在未来，SNSPDs和复杂的动态可重构光子结构结合进行的主动反馈操作，还需要接口与外部电子电路相连，来发挥它的卓越性能。

图 9 在氮化硅薄膜和氮化铝波导上使用取放法的混合集成SNSPDs

图源：Nat. Photonics 14, 285–298 (2020) (Fig. 3)

5.4

混合集成存储器件和非线性元件

用于高保真存储和量子位检索的量子存储器是许多量子信息技术应用的核心。理想的存储器需要具有以下几个特征：指定光模式中100%的捕获和释放效率，存储时间长于建立片上纠缠或重新配置光路所需时间的按需读出，GHz带宽，通信波长工作，每个存储中可忽略的附加噪声，稳定易使用，并可与其他光路集成。

目前已有的研究方法包括铷原子与光子结构的耦合，原子频率梳，金刚石中长寿命自旋态和晶体中的稀土离子等。将这些存储器与大规模光量子系统结合同样需要混合集成。

除了存储器，另一个关键元件是量子逻辑元件。单光子级的强非线性可以减小经典和量子信息技术中的逻辑运算开销。这些非线性元件可以实现不可区分系统的受控相干耦合和纠缠等重要的量子信息任务。

最后，非线性从经典光学的角度来说，需要在附加噪声可忽略的前提下实现单光子级别的光的频率转换。不同波长的光子组件之间，如集成量子存储器和通信波段的光纤中传播的光子间，就需要进行该种转换。

5.5

混合集成光量子器件的发展

利用前面我们介绍的几个关键元件，混合集成光量子器件也得以实现。尽管这些器件还不能达到理想量子隐形传态所需的复杂程度，但是这标志着不同种类按需单光子源和光路集成的巨大进步。通过量子探测器的集成，实现100量子比特的混合量子光学模拟器是可以预见的。

06

观点与展望

在未来，除了单片的片上混合集成，我们还可以预期不同物理系统之间更多级别的混合集成。例如，将单个有机分子嵌入受主晶体，低温下可以实现相干全光片上控制；将离子或原子提供的长相干时间和强相互作用与集成光路结合起来，实现长相干时间的量子存储元件。

总之，集成光量子芯片有望为执行量子通信和信息处理等任务提供方便、可扩展的平台。量子光子混合集成是一项前瞻性的工程任务，它所追求的量子性能最大化对于未来集成光子学整体具有不可估量的价值。

文章信息：

相关成果以“ Hybrid integrated quantum photonic circuits ”为题发表在 Nature Photonics 。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0609-x