非线性量子电光集成电路- 大数跨境

两江科技评论

2019-01-28

导读：德国帕德柏恩大学的Christine教授研究团队成功地在单个Ti:LiNbO3量子电光集成芯片上，通过电压调制实现了长达12ps的可控时间延迟，并在泵浦功率为100μW时，实现了能见度高达93.5±1

导读

最近，来自德国帕德柏恩大学的Christine Silberhorn教授研究团队成功地在单个Ti:LiNbO3量子电光集成芯片上，通过电压调制实现了长达12ps的可控的时间延迟，并在泵浦功率为100μW时，实现了能见度高达93.5±1.8％的Hong-Ou-Mandel干涉现象。这为新型量子技术的建立迈出了重要一步。研究成果以“Nonlinear integrated quantum electro-optic circuits”为题，发表在《Science Advances》上（DOI：10.1126 /sciadv.aat1451）。

文章作者：Kai-HongLuo, Sebastian Brauner, Christof Eigner, Polina R. Sharapova, Raimund Ricken,Torsten Meier, Harald Herrmann, Christine Silberhorn

背景

未来的量子计算和网络需要可扩展的单片集成电路，它将各种逻辑计算功能集成在一个物理芯片上。过去的十年中，许多用于量子门、量子干涉、量子计量、玻色子采样和在不同的材料中量子行走的电路得以证实。大多数电路是用诸如玻璃，氮化硅，硅晶绝缘体和硅基二氧化硅材料实现的。

相比之下，基于二阶非线性的集成光子器件的发展已远远落后。尽管，人们在可调耦合器和电压控制移相器方面取得了成功，但集成量子电路中快速主动电光路由和偏振光子旋转特性的全部潜力尚未得到充分利用。虽然，在实际应用方面已经取得了很大的进展，但是目前还没有出现可通过时间最优的方式精确控制量子态生成并主动操纵量子位的量子电光集成器件。量子比特应用的整体解决方案面临的主要挑战是光子的偏振操纵和片上器件可变时间延迟的实现。虽然在不同的材料基底上已经展示了量子各种应用的重大进展，但是在单个芯片上按需处理的光子态的操作范围仍然有限，尤其是动态时间的最优控制方面。

创新研究

如图1所示，研究人员展示了一个集成化紧凑型量子电路，它是具有主动和精确操作的Ti:LiNbO3芯片。该芯片包括用于产生光子对的光源、被动路由、快速主动的偏振旋转，以及在最后的分束器处同步到达的可变时间延迟最优控制。这种同步是通过在光子之间设定时间延迟的电压控制信号实现的，电压控制的时延高达12ps，不仅补偿了电路内部的不匹配长度，而且还保留了量子特性。这种快速的电光可控片上时间延迟对于所有量子应用都是至关重要的，因为操纵状态的时间同步是所有量子逻辑操作的基本要求。

图1 在LiNbO3波导中进行主动精确控制的小型化紧凑量子电路

(A) 在BS中无法区分光子的HOM聚束效应；

(B) 使用体光学元件的典型HOM实验的示意图；

在量子电路中，第一个PC（PC0）直接置于PDC部分后面，然后是在PBS之后的一个分支中包含10个元素（PC1... PC10）的分段PC。可调节BED系统的原理如图2A所示。通过实验装置的配置，电压控制的时延在1.3ps到大于12 ps之间的范围，如图2B所示。虽然这种变化只能在不连续的步骤中实施，但可以将HOM的dip分辨率降低到0.6 ps。分段式PC由10个电光片段组成，可以单独寻址；每个片段的长度相当于第一个PC（PC0）长度的三分之一。因此，如果同时驱动三个后续段，可以获得与PC0相同的光谱特性。在10个电光段上滑动这样的三元组件，能够以八个不同的延迟时间进行采样，即与PC0的开/关切换一起，总共可以设置16个不同的延迟。选择不同组件的长度，使得当PC0接通时，它们在BS处提供几乎完美的时间补偿，并且驱动分段PC的第二个三元组（以PC3为中心）。

图2 可调节BED系统原理示意图

(A) 芯片设计及插图；

(B) BS处光子的时间延迟。

一个成功的芯片操作需要几个相位匹配的过程(PDC和每个PC)，需要用经典光分别表征所有单个组件，以确定最终实验的最佳工作条件。首先，研究了PDC过程的相位匹配过程。实验中使用二次谐波产生（SHG），这是使PDC退简并的相反过程，以识别相位匹配的波长（图3A）及其温度依赖性（图3C）。为了表征各种PC组合所需的相位匹配条件和驱动电压，研究人员使用高亮度的宽带光源来研究未转换光的光谱传输（图3B）及其温度依赖特性（图3C））。PC0和分段PC的所有三元组的光谱宽度约为3.2nm，这比PDC光谱（1.3nm）宽得多。尽管中心波长稍微不同，研究人员将其归因于制造过程中的不均匀性，但所有转换带都很好地重叠。根据图3C所示SHG过程的温度依赖性和PC相位匹配，研究人员确定了量子实验的工作点，即芯片温度、泵浦波长和驱动电压。

图3 集成电路的经典表征

（A） PDC部分产生的二次谐波（SH）的归一化功率；

（B）PC₀的光谱传输特性和分段PC的各种三重组合；

（C）两个相位匹配过程（PDC和PC）的温度依赖性。

如图4A所示，量子实验的整个测量装置包括外部泵浦、光纤滤波器和检测单元。图4B绘制了两个波导输出之间的实验和模拟归一化结果；每个点对应于将三元组从一个片段滑动到分段PC的下一个组合。图4C重新绘制了各分段PC组合的测量和理论模拟数据相对于计算时间延迟的函数关系图。第一个分段PC组合的归一化符合率（当PC0关闭时）略大于1，这可以归因于部分不可区分性以及测量中的光谱缺陷。由于片上离散可变时延的限制，研究人员无法在实验中解析HOM dip的实际形状。通过仔细调整所有控制参数，在泵浦功率为100μW下，在最小符合率和单位概率之间计算的HOM干涉的能见度为93.5±1.8％。该值显著地高于50％的经典极限，证明了片上干涉的量子特性。因此，尽管来自每个组件的所有缺陷一起导致HOM dip的能见度降低，但是双光子干涉仍然在量子范畴内。

图4 实验装置和量子实验结果

（A）主动HOM芯片量子表征的实验装置；

（B）实验和模拟结果的归一化符合率与分段PC驱动三倍的函数关系；

（C），从（B）中所示的相一致的实验和模拟结果和相应的计算时间延迟。

结论

Ti:LiNbO₃双光子芯片不仅可以通过旋转偏振实现对光子状态的精确控制，还实现了时间最优的方式精确控制。即使当PC被驱动以产生不完全转换时，它也可以产生可编程的量子态叠加，用于随后的量子逻辑运算。利用LiNbO₃中的电光效应，还为超快速处理铺平了道路，这种方法在经典通信设备（如调制器）中得到了广泛认可，但很少用于量子光学。实验表明，LiNbO3双光子芯片具有灵活控制单量子比特操作的潜力，充分利用芯片上的快速、小型紧凑量子电路，在LiNbO3波导中具有主动和精确的操作。在单个芯片中实施这样的量子实验是迈向小型化的重要一步，为量子技术的商业应用铺平了道路。

文章链接

http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat1451

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