光電量子器件研究進展綜述

導讀

量子信息科學開啟了超越經典物理極限的契機，從而產生了量子計算、量子通信與量子精密測量等前沿技術領域。其中，量子計算技術可以使計算機的運算速度相較于經典計算機呈指數級加速，量子通信技術保證了通信的高度甚至絕對安全，而量子精密測量技術可以極大地優化許多器件或設備的靈敏度與分辨率。這些潛在的先進特征將推動量子信息技術在各個領域的創新發展，而發展的大方向是將量子計算、量子通信和量子精密測量等系統連成一體，即構建量子信息系統和量子網絡，使量子科技在下一代信息技術領域占據主導地位。

要實現實用化的量子信息系統和量子網絡，首先必須開發高性能的基礎器件。在各種類型的量子器件中，光電器件在量子信息技術發展中發揮著關鍵和核心作用。先進的微電子、光學和光電子平臺能夠制造大多數量子信息處理系統的基礎器件。光電技術無疑在過去的十數年為量子科技的發展提供了有力的支撐，將來還有可能在量子信息領域構建完整的產品鏈。

研究背景

目前，相當多的光電材料如非線性光學晶體、半導體、量子點、光子晶體、金剛石、二維材料、鈣鈦礦、超材料等，已被用于各種量子器件，如量子計算邏輯門、量子光源、單光子探測器、量子存儲器、量子信道、量子傳感器等的設計和制備。作者團隊也正是以各種光電材料為平臺，在量子器件領域進行了一系列探索、研究和開發。毫無疑問，量子信息科技的實用化仍然有賴于各類量子器件的進 一步發展，例如需要大幅改善光電過程的相干性、增強量子芯片的魯棒性、提高量子信息網絡的可擴展性等。為了更好地面對新的挑戰，文章綜述了作者團隊以往的工作，總結研究經驗，積累技術儲備。

主要內容

單光子源是量子通信中的基本器件，并且在量子測量和量子計算中也有很好的應用。在這個方向上，文章綜述了作者團隊在量子點單光子源、宣布式單光子源和量子隨機數發生器等方面的研究工作。包括由亞微米尺度的InP、空氣隙和InGaAsP材料組成的納米柱腔單光子源（如圖1所示），通過結合空氣隙和漸變DBR結構，在1.55 μm波段實現104-105的高品質因子和GHz級比特率的高全同單光子產生，從而證明該納米腔具有作為光纖量子通信用高效量子點單光子源的潛力。

圖1 (a) InGaAsP/InP-airgap納米柱腔的三維視圖；(b)計算得到的不同條件下的光學模式譜與光學能帶結構

量子糾纏光源是量子信息系統中的核心關鍵器件，作者團隊近年針對量子糾纏光源的性能優化、集成化以及應用等進行了多方面的研究。包括基于級聯二階非線性過程的量子糾纏光源等，如圖2所示，在單塊周期極化鈮酸鋰（PPLN）波導中通過二次諧波產生與自發參量下轉換產生通信波段糾纏光子，同時制備了能量-時間、頻率片、時間片等多個自由度的糾纏光子，這一優化方案為量子信息處理提供了一種多自由度高性能的糾纏光子源，可以應對不同應用場景。

圖2 實現不同自由度糾纏的實驗裝置 (a) 關聯光子對產生光路；(b) 關聯光子對表征光路；(c) 能量-時間和時間片糾纏光子對表征光路；(d) 能量-時間糾纏光子對的相干操縱光路；(e) 頻率片糾纏光子對的產生和表征光路

單光子探測器作為量子計算的讀出機構、量子通信的信號接收器和量子精密測量的光子分析設備，在量子信息處理領域不可或缺。文章重點綜述了作者團隊對單元/焦平面雪崩單光子探測器和負反饋雪崩單光子探測器的研究工作，并介紹了單光子探測器在光纖傳感系統中的相關應用研究。包括通過優化單光子雪崩探測器（SPAD）讀出電路（ROIC）設計，提出的一種高速光子計數方法，如圖3所示。該讀出電路采用主動淬滅和復位集成電路（AQR-IC）驅動InGaAs-SPAD，雪崩電壓信號發送到FPGA系統以計算計數率，死時間也由FPGA調整，提高了雪崩單光子探測的靈活性。

圖3 SPAD高速讀出電路的 (a) AQR-IC芯片；(b) PCB光子計數系統

量子器件是一個廣闊的研究領域，除了上述器件外，文章還綜述了作者團隊在量子存儲器、光機械量子器件和納米光機電系統(NEMS)等方面進行的研究和探索。包括基于摻鉺光纖的固態量子存儲器，使用原子頻率梳量子存儲協議，實現了光通信波段光子的高帶寬和多路量子存儲，如圖4所示，為基于多路復用和寬帶固態量子存儲器的量子網絡的實現奠定了技術基礎。

圖4 量子存儲器實驗裝置

結論

為了在未來實現量子信息技術的大規模應用，作者團隊近年來研究探索了多種光電量子器件。作為光纖量子通信系統信號光源的解決方案，設計了幾種微納柱型腔-量子點單光子源；運用光譜復用技術，實現了高純度、高產率的宣布式單光子源；基于商用GaN材料缺陷的單光子特性，構建了室溫工作的量子隨機數發生器。在PPLN單波導中應用級聯二階非線性光學過程，開發了一種量子糾纏光源，保真度為97%，噪聲抑制水平提高近10倍；微納加工制備Si3N4微環腔結構，實現了可見度超過99%的芯片集成式量子糾纏光源。發展雪崩半導體器件工程技術，優化讀出電路設計，研制了128×32及以上規模的SPAD焦平面組件，并用于量子探測實驗。制備低溫下可同時存儲1650個單光子的光纖量子存儲器；探索研究了有望用于量子探測/傳感的光機械器件設計和NEMS器件制備方法。作者團隊面向各類量子光電器件的研究成果，是邁向量子科技實用化的一步，為未來構建量子信息網絡提供了技術支撐。