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量子霸权的顶端：近乎理想的单光子源

2020-07-05 13:29

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学

封面图来源：pixabay

撰稿 | 何泊衢

导读

量子计算是最前沿的技术之一，大规模可扩展的量子计算机能解决目前最强大的超级计算机也难以解决的问题，例如新药与新材料的设计、密码学中的寻找大数质因数。

集成量子光学可以在微型复杂的光路中产生和控制光子，是发展量子技术最有前景的路线。利用成熟的CMOS工业制造集成器件，可以将相当于数千个光纤和元件的电路集成在一个毫米级的芯片上。

图1，产生高质量单光子源的硅基光子芯片

图片来源：Univeristy of Bristol

利用集成光子学来开发可扩展量子技术具有庞大需求，限制瓶颈在于缺乏一种高质量的单光子片上光源。

近日，英国布里斯托大学电子工程学院的A Laing教授团队在 Nature Communication 发表文章，他们发明了一种近乎理想状态的自发辐射单光子源（图1所示），可以同时达到高光谱纯度、高不可分辨性以及高本征宣布效率。

这项技术可以应用于在新药研发、新材料研究、破解加密密码以及解决AI大数据领域中最优路径等机器学习问题等领域。

背景介绍

集成光子学是量子信息处理的高效的平台，而光学量子计算的构架亟需高质量的信息载体。全光子量子计算构架依赖于多光子源阵列来实现量子采样算法的组合加速或者需要一个近似的单光子源，为通用量子计算提供纠缠电路。对于前者而言，光子间的不可分辨性束缚着采样算法计算复杂度的上限；而对于后者，光子的杂质和可区分性将导致逻辑错误。

图2，量子计算机算力随量子比特数的增长而增长，随错误率的减少而增长。

图片来源：中金公司研报《前沿科技#2：量子计算能延续摩尔定律的神话吗？》（2020.05.12）图10

如图2所示，IBM 的研发人员则提出了“量子体积”（quantum volume）的概念来衡量量子计算机算力。IBM的工作人员指出，在当前的技术条件下，增加量子比特位数并不能够带来“量子体积”的明显增长，减少错误率则能够带来“量子体积”的明显增长。寻找一种具有高不可分辨性、纯净且适用于大规模制造的低噪声单光子源，能有效提高量子计算算力，是突破集成光子学中量子计算可扩展性瓶颈的关键。

基于自发辐射过程的集成光子源，例如单模波导中的四波混频，或者是微环谐振腔，因其适合大量制造而备受关注。然而以上两种在纯度和宣布效率上还需要提高。此外微环谐振腔还需要格外的调谐来进行不同腔体之间的区分。

考虑到以上因素，作者演示了一种基于模间四波混频原理的单光子源，工艺上采用与CMOS工艺兼容的硅基光子学，该光子源同时具备高光谱纯度、高宣布效率以及高不可分辨性。

创新研究

1.原理：离散波段上采用相位匹配和延时泵浦的模式间四波混频

在满足相位匹配（即动量守恒）以及能量守恒条件时，基于四波混频原理的集成光子源可以将泵浦激光的光子转换成单光子对，实现单光子源。在单模波导中，标准做法是，采用接近零的色散，从而使泵浦波长附近具有宽带的相位匹配频段；然而，同时还要满足能量守恒条件，这会导致在产生的光子中有多余的光谱成分。本文作者创新地提出了一种采用色散管理和延时泵浦的方法，在螺旋多模波导中实现四波混频，有效抑制杂质光谱。

图3，多模单光子源的设计示意图。

图片来源：Nat Commun 11, 2505 (2020)（Fig.1）

如图3（a）所示，泵浦激光激发多模波导的两个低阶模式TM0和TM1，并通过模式间的相位匹配产生闲频光和信号光光子对。满足TM0和TM1相位匹配关系的频带是窄带的、离散的。为了与之匹配，可以通过精细地设计螺旋多模波导的横截面，来完成色散匹配。同时设计的相位匹配频带的带宽与泵浦激光的带宽相似，有利于满足能量守恒原理。

这种色散管理的方法可以有效地抑制由于能量守恒导致非理想的光谱成分，增强了激发光子的光谱纯净度。

为了光谱纯净度能接近1，在泵浦光的TM0支路引入一个延时。在多模波导中，由于群速度的不同，两个模式间的延时逐渐增加然后减少，相当于非线性作用的绝热转换，这种转换有利于更进一步地抑制联合光谱的边带频率。模拟计算显示，在没有延时的情况下，光谱纯度是84%，而有延时的时候，光谱纯度提高到99.4%，效果十分显著，如图3（b）所示。

2. 性能表征

光谱纯净度

图4，光谱纯净度测量装置（f）以及结果(g)

图片来源：Nat Commun 11, 2505 (2020)（Fig.1）

光谱纯净度首先通过直接测量联合光谱强度来估计。联合光谱强度测量是使用窄带可调谐滤波器扫描信号光子和闲频光子的发射波长实现的，如图4f所示。无时间延迟的单光子源的联合光谱强度为93.1% ，在有延迟的方案中增加到99.04% ，如图4g所示。对比测量表明，延迟方案有效抑制了杂散光谱。

3. 宣布效率

本方案产生的单光子源无需额外滤波去掉杂散光谱，本身就具备高光谱纯度和高宣布效率。单光子源的本征宣布效率收到波导中线性和非线性的损耗影响。考虑到0.5 dB/cm的线性损耗，单光子源的宣布效率为95%，芯片外探测器的宣布效率为12.6%，相当于91%的芯片内部宣布效率。

4. 不可分辨性

为了在实验上测试源不可区分性，作者集成了一个可重构光子电路来实现不同源之间的量子干涉。输入激光通过片上可调谐马赫-曾德尔干涉仪(MZI)分成两个相干泵浦;用附加的集成移相器和干涉仪对不同源产生的闲频光子和信号光子进行分组和干扰（图5（a）和（b））。

图5，多个单光子源以及不可分辨性能表征。

图片来源：Nat Commun 11, 2505 (2020)（Fig.2）

利用这个电路，通过三种不同类型的测量实验估计了源之间的不可分辨性。首先，通过分别操作两个源来得到每个光源的联合光谱强度。根据每个源联合光谱强度的重叠推算相互不可区分性为98.5(1)%。通过两个光源之间的反向 Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉，可以测量不可分辨性。通过调谐MZ干涉仪作为50:50分束器，对两个光源进行泵浦，并分别对信号光和闲频光进行干涉。反向HOM条纹具有98.7(2)% 能见度，如图5(d)所示，即对应于单光子源的不可分辨性。

同样，可以采用量子纠缠测试，如图5(e)所示，利用量子态层析成像，构建了密度矩阵，保真度为98.9%，不可区分度为98.2（6）%。

应用与展望

本文的研究成果对于集成光子学中量子信息处理的前景具有重大影响。迄今为止，最好的片上集成光子源只有82%的宣布量子干涉可见度，这意味着：考虑10%的误差，量子采样实验计算复杂度最多到31个光子干涉。然而本文将计算复杂度提升到大于150个光子干涉，处于量子霸权的顶端！

借助本文具有高容错光子结构，未来很有希望迈进99.9%以上的宣布量子效率，本文有效地消除了限制可扩展量子信息处理的关键物理误差。采用近乎理想单光子源的量子计算，将推动新药研发、新材料研究、破解加密密码以及解决AI大数据领域中最优路径等机器学习等问题的落地。

文章信息：

相关成果以“ Near-ideal spontaneous photon sources in silicon quantum photonics ”为题发表在 nature communications 。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16187-8

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