渐进式量子飞跃：由量子发射器驱动的高速薄膜铌酸锂量子处理器

可扩展的光子量子计算架构需要光子处理设备。此类平台依赖于低损耗、高速、可重构的电路和近乎确定的资源状态生成器。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，Patrik Sund和哥本哈根大学混合量子网络中心的研究小组以及明斯特大学开发了一种带有薄膜铌酸锂的集成光子平台。科学家们使用纳米光子波导中的量子点将该平台与确定性固态单光子源集成在一起。

他们以几千兆赫兹的速度处理低损耗电路中产生的光子，并在高速电路上实验实现了各种关键的光子量子信息处理功能;具有开发四模通用光子电路的固有关键特性。这些结果表明，通过将集成光子学与固态确定性光子源合并，在可扩展量子技术的发展中有一个有希望的方向。

集成光子学的量子技术进步

量子技术在过去几年中逐步发展，使量子硬件能够与经典超级计算机竞争并超越其能力。然而，为各种实际应用大规模调节量子系统以及形成容错量子技术具有挑战性。

光子学提供了一个有前途的平台，可以为远程量子网络解锁可扩展的量子硬件，这些网络具有跨多个量子器件和光子电路的互连，用于量子计算和模拟实验。高质量的光子状态和快速、低损耗的可编程电路是光子量子技术路由和处理应用的核心思想的基础。研究人员最近开发了诸如量子点之类的固态量子发射器，作为近乎理想的高效不可区分光子源，以实现按需单光子源。

光子量子信息处理

在这项研究中，Sund及其同事专注于在二氧化硅绝缘基板上键合的单晶铌酸锂薄膜，由于其强大的电光学特性，高透明度和高折射率对比度而形成集成电路，因此是一个有前途的平台。由于材料的透明度范围各不相同，因此它们非常适合与各种固态量子发射器配合使用，并兼容在低温下发挥作用。

在这项工作中，该团队首次描述了绝缘体电路上多模铌酸锂的开发，用于单光子水平的量子信息处理。他们通过使用电路来调节和促进从量子点单光子源发射的光的量子态的功能来实现这一点。该团队将波导集成量子点源发射的单光子注入铌酸锂光学电路中，以显示光子量子信息处理的关键功能，例如可重构通用酉电路上的多光子干涉。

集成光子平台

Sund及其同事说明了用于在绝缘体波导上实现单模铌酸锂的几何形状。他们通过电子束光刻和氩气蚀刻在硅基板上粘合的铌酸锂薄膜上将光学电路实现为肋波导。

蚀刻后，它们用氢倍半硅氧烷层包覆波导，并将光子集成电路光耦合到单模光纤上，以提高耦合效率，从而主动将快速光开关和电路与光纤连接。材料科学家和工程师通过马赫曾德尔干涉仪、定向耦合器和电可调移相器实现了电光可调波导电路。该团队测试了调制器的高速性能，以评估构建的光子集成电路的能力。

片上量子干涉

在光子量子信息处理过程中，研究人员通过片上洪欧曼德尔实验研究了多光子量子干涉的可见性，以测试光子量子信息处理平台的性能。材料科学家通过使用嵌入光子和电子纳米结构中的自组装砷化铟量子点来产生单光子。

该器件包含一个单面光子晶体波导和一个浅蚀刻波导光栅，用于高效产生光子，以及一个用于电噪声抑制和发射波长调谐的异质二极管。科学家们从量子点发射的单光子流中创建了一个双光子输入状态，同时使用片外解复用器分离成对的连续光子，允许光子同时到达芯片。然后，他们将光子路由到单光子探测器进行重合检测。

集成单光子路由器

快速光子路由器在光子量子计算中非常重要，它们可以安装多种模式，用于近确定性函数中的多路复用方案。Sund及其同事通过旋转发射光子流来利用确定性量子发射器进行网络方案，以降低光子量子计算架构的成本。

研究小组在铌酸锂平台上集成了快速移相器，并展示了用于量子点发射光子的片上光子路由器。实验装置中的解复用器包含三个快速电光马赫曾德尔干涉仪开关，这些开关级联在树形矩阵网络中。整个实验电路显示了铌酸锂在绝缘体平台上路由量子点产生的光子的前景潜力。

通用四模干涉仪

具有可编程组件的多模量子光子干涉仪对于实现光子量子技术的核心功能(如多光子门和聚变测量)至关重要，以实现量子计算实验或模拟量子模拟的电路。该团队探索了量子点 - 铌酸锂在绝缘体平台上进行此类实验的可能性，并实施了由六个马赫曾德尔干涉仪和十个相位调制器组成的网络设计的干涉仪。然后，科学家们将实验数据的测量分布与理论预测进行了比较。

展望

通过这种方式，Patrik Sund及其同事在绝缘体平台上展示了铌酸锂处理来自新兴固态确定性来源的光子的承诺。该平台可以针对可扩展的量子技术进行进一步优化。

该团队建议在实验过程中使用具有较高折射率的包层以优化结果。绝缘体量子处理器上的高速铌酸锂提供了一种将量子光子技术扩展到光子纳米结构之外的途径，以实现大规模容错光子量子计算。