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量子技术集成光子学的潜力和展望
在Nature Review Physics曾发布的一篇路线图文章中，科学家们通过具体实例论证了集成光子学为量子技术带来的价值，并讨论了通过克服当前的障碍，未来可能实现的应用。
“我们的目标是通过概述与量子技术集成光子学相关的材料、设备和组件的科学挑战，以及与开发必要的制造基础设施和供应链相关的挑战，将这些技术推向市场，从而激励进一步的研究。”
要点一览
- 在过去20年中，光量子技术取得了一系列重要的里程碑式进展，最近展示的量子优势和空对地量子通信更是达到了顶峰。
- 可扩展性仍然是所有平台面临的巨大挑战，但光量子技术可以从经典光子集成的平行发展中获益。
- 需要开展更多研究，因为集成光子平台的内在混合特性带来了多重挑战，需要多种材料、器件设计和集成策略。
- 集成光量子技术的创新周期十分复杂，需要投资、解决具体的技术难题、开发必要的基础设施并进一步构建成熟的生态系统。
- 对具备量子力学及其技术应用方面丰富知识的科学家和工程师的需求与日俱增。
/目 · 录/
一、量子光学提供诸多应用优势二、从经典到量子集成电路三、量子光子集成电路(qPIC)赋能量子科技3.1. 量子通信3.2. 量子计算与模拟3.3. 量子传感与计量3.4. 基础科学四、面临哪些挑战？4.1. 光子器件和组件4.2. 集成到经典PIC平台4.3. 潜在的障碍五、全球研究与技术现状六、集成光子学推动量子设备的规模化、商业化
量子力学彻底革新了技术，导致了半导体、晶体管和激光的发展，并由此发展出计算机和互联网。这些第一代量子技术改变了社会，推进了科学认知。非局域性（纠缠）的概念最初似乎是量子理论中的一个缺陷，但经过越来越复杂的实验检验，它带来了意想不到的应用。量子纠缠和量子叠加是第二代量子技术的基础，在计算、模拟、通信、传感和计量等任务中得到了应用。
基于超导电路和光子的量子计算机在计算方面比当今的传统处理器更具优势，尽管它们目前还只是针对特定任务。现在，在可扩展性、实施和算法方面仍存在许多挑战，但量子计算的目标应用包括（一大系列）优化问题，可用于更高效地设计靶向药物和个性化医疗，或改善物流以保护自然资源以及管理金融和个人风险。超灵敏量子传感器可实现先进的医学成像和高精度导航；量子互联网理论上有望实现信息安全通信，同时实现云量子计算机的普及。
与实现量子技术的其他平台相比，量子光学（直接利用光的量子特性，通常是在单个光粒子（光子）层面）为信息处理、计算和通信等多项任务提供了许多关键优势。量子光子学与经典光子学工具和设备相结合，已成为推动量子技术各个领域发生根本性变革的有利技术。与经典光子学一样，芯片级集成已成为扩大规模和将实验室演示转化为现实技术的关键。集成量子光子学这一新兴多学科领域的核心目标是利用量子光学提供的机会，在量子通信、计算、模拟和传感方面取得实际发展。
尽管量子技术已引起广泛关注，但集成量子光子学的潜力可能仍未得到充分重视。量子技术集成光子学(IPQTs)，尤其是量子光子集成电路(qPICs)的发展对于实现强大的技术突破至关重要。
随着通过光纤传输的信息量越来越大，智能传感器在各行各业的应用也越来越广泛，这促使人们越来越努力地实现光学元件的微型化和大规模集成。与半导体电子器件类似，光子集成电路(PIC)也依赖于晶圆级制造技术，在单一基板上集成许多光学元件，通常还包括互补电子器件。为开发可扩展的光子集成电路制造平台所做的努力催生了许多解决方案，这些解决方案目前已应用于利基市场（如数据中心的高速可插拔收发器、工业自动化的特定集成传感/监控解决方案，甚至是光学投影仪中的微机电系统(MEMS)开关光学器件）......同时，科学家们还在研究许多其他方法，以实现更广泛的应用。
这些替代方法可按光子波导使用的材料进行分类：硅光子、玻璃、聚合物、铁电、陶瓷或 III-V 半导体（砷化镓、磷化铟）和III-N材料。
与集成电子器件不同的是，相互竞争的功能阻碍了通过单一材料系统和平台（单片集成）实现专用集成电路，从而导致针对特定应用的定制方法层出不穷，集成各种材料（III-Vs、 二维材料、特定材料中的点缺陷、绝缘体上的铌酸锂 (LNOI) 等）、结构（异质结构、量子点、纳米线）和器件（激光器、调制器、探测器、存储器等）集成到更常见的光子平台上的方法层出不穷。在光子波导芯片本身之上集成外部元件的过程面临巨大挑战，可大致分为混合型和异构型两种：前者是指以各种方式将异构元件插入特定芯片平台、后者是指在芯片晶圆上直接沉积（主要是外延）各种有源材料，且不同于原生晶圆成分。
集成光子学在传统应用组件的微型化、稳定化和规模化方面发挥着关键作用。经典光子集成平台有望促进量子技术的发展，使量子设备更具可扩展性、更稳定、更紧凑、更便宜。它们还将影响那些不直接利用光的量子特性的量子技术，如基于原子或离子的量子计算机 、光学时钟或重力仪。这类量子设备需要对激光束进行精密控制，以产生或操纵量子态。
基于冷原子和离子阱的量子技术依靠激光束将原子气体从室温冷却到接近绝对零度，例如，原子钟通过询问这些原子的窄线宽跃迁来获得绝对频率参考。此外，离子阱量子计算机使用激光脉冲序列来实现离子中编码的量子比特之间的门操作。这些设备中使用的原子类型决定了所需激光束的波长，而操作协议则对激光束的频率和强度控制提出了要求。使用捕获在光学晶格中的原子的超冷原子量子模拟器对光学控制系统也有类似的要求。目前的挑战是针对这些量子设备的特定需求开发集成光子学，这意味着但不限于对激光的波长/频率、相位/偏振、功率水平和强度控制进行微调，以及集成频率和微型计算机。
量子器件专用集成电路的开发有助于克服实现更高水平技术就绪和商业化的根本瓶颈。例如，集成光子学有可能使陷波离子钟的结构更加紧凑和坚固，价格也足够低廉，可用于卫星等移动平台，或用于电信网络同步、地下勘探和导航；在量子密码学方面，廉价和小型发射器/接收器单元的出现将极大地促进其广泛推广。
事实上，qPIC预计将在量子技术中发挥重要作用，因为它们具有几个关键特性，包括：
- 可扩展和快速重新配置的架构，系统占用空间小；- 需要时可增强光物质相互作用；- 光学元件的高稳定性要求强烈；- 与高效单光子探测器的直接片上接口或共同集成；- 互补金属氧化物半导体(CMOS)电子读出和前馈控制。
并且qPIC在量子技术的不同领域也带来了显著影响。
1）量子通信
量子通信可分为两个系列，它们在领先的光子集成要求（尤其是基于光纤的量子通信系统）方面基本重叠：量子密码学（量子密钥分发，QKD）和通过量子互联网进行的分布式量子计算。
在这两种情况下，都有一些近期获得资助的国际计划，旨在从单个笨重的桌面设备过渡到紧凑的集成系统。由于这些项目仍处于早期开发阶段，因此重点关注集成光学器件 ，以便为量子网络和量子中继器节点创建片上平台，集成光源（衰减激光器、纠缠光源、挤压光源和单光子光源）、单光子探测器、调制器、相干接收器、路由器、微光学元件和其他一些必要组件。
目前，存在不同类型的量子中继器 ，需要纠错、前馈操作、簇态或量子存储器来实现任意长距离量子通信。总体而言，量子通信面临的挑战还包括耦合外部接口，如光纤或电气控制和/或大规模测试、量子存储器的集成以及与经典电信的接口。频率转换的高效光子集成对于远距离纠缠量子节点也非常重要。
通常情况下，探索合适的光子波导芯片的工作主要集中在硅(Si)、氧化硅(SiO2)、磷化铟(InP) 或Si-InP聚合物混合PIC平台等材料上，最近还包括铌酸锂。不过，也有一些方法使用了金刚石、稀土和碳化硅(SiC)自旋系统中的氮空位或硅空位(NV/SiV)，以及钇铁榴石/正硅酸钇(YIG/YSO)平台，主要是因为它们的量子存储器参数很有前途。所有量子通信平台都需要加强电子学和光子学的融合，以处理更高的时钟速率、低成本和便携性、信号后处理的相关（经典）计算开销（例如，概率测量结果的后选择和量子态分析），以及最终的可扩展部署。
qPIC预计将对通过空间链路和光纤进行的量子通信产生重要影响，与现有的原理验证演示相比，集成光子学在物理足迹、重量、能耗、稳定性和可制造性方面具有优势。
2）量子计算与模拟
任何量子计算技术的基本要求都包括对量子比特的精细控制以及它们与环境几乎完全隔离。在量子比特的不同物理实现方式中，光子占有特殊地位：光子与透明光学介质的相互作用微弱，而光子之间的相互作用很小，这使得光子编码的信息具有很强的抗去相干性。光量子计算可分为特定量子计算模型（如玻色子采样）和通用量子计算模型（如单向或基于测量）。根据使用光量子态编码信息的方式，有离散变量模型和连续变量模型或它们的混合模型，提供了特定量子计算和通用量子计算的不同实现方式。
作为特定量子计算的一个例子，玻色取样代表了一种固定/指定的采样任务，它与矩阵永久值（类似于行列式的函数）的期望值计算有关。其物理实现过程如下：将n个无法区分的玻色子（如光子）送入m模式线性光学干涉仪，记录玻色子的输出分布。这些输出分布很难通过经典方法进行采样或模拟。光子系统可以自然而有效地实现玻色子采样。第一代玻色取样机主要在qPIC中使用几个光子，利用量子点的按需无差别单光子源实现玻色子采样，大大提高了探测到的光子数量。随后，更多可扩展的玻色取样技术（在体光学和qPIC中）得到了改进。曾经，九章量子计算机由50个不可分的单模挤压态、一个100模低损耗干涉仪和100个单光子探测器组成，因此可以对多达76个检测到的光子点击（整个希尔伯特空间的维度为10^30）进行采样处理。
正如Knill–Laflamme–Milburn(KLM)方案所证明的，通用全光量子计算是可能的，它只需要不可分的单光子源、线性光量子电路和单光子探测器。纠缠操作依赖于光子的量子干涉和辅助模式中辅助光子的成功检测。然而，KLM方案需要大量开销。一些主要功能已经在桌面光学元件上得到了验证，并在多个波导平台上实现了向qPIC的转化。例如，KLM型受控NOT（也称CNOT）门及其预示版本和编译肖尔因式分解，这些成就被视为重要的里程碑。
量子模拟被认为是量子计算机最有前途的应用之一。与模拟量子模拟方法相比，通用光量子模拟器的硬件要求几乎与通用量子计算机一致。光量子模拟器已在实验室中得到验证，并将从集成的扩展角度获益。qPIC通过实施特定的量子模拟算法，实现了一个多功能、无噪声的中等规模量子平台，可以执行特定的量子模拟任务。例如，有报道称Si和SiO2芯片中的qPIC模拟器可通过实施量子相位估计或变分量子特征分解器来估计分子特征能，以及模拟固态系统中的自旋动力学。用于量子模拟的光子集成已经超越了演示器的范畴、建立起了qPIC平台，例如用于量子行走的Si和SiO2器件，以及玻色子采样演示器。在高斯玻色取样的背景下，通过片上生成和处理挤压态，可以在硅芯片（最多8个光子）和氮化硅芯片（最多18个光子）上计算分子振动光谱。
集成光学技术还有望解决其他量子计算和模拟平台中的关键量子控制难题。将紧凑、相位稳定和高质量的PIC器件与天然和人工原子及捕获离子共同集成，可为这些原子系统提供集成、可扩展和低噪声的量子控制，例如用于激光初始化、激光冷却、量子比特寻址和读出。
3）量子传感与计量
量子传感和计量学利用量子效应（如纠缠和状态挤压）来优化测量精度。例如，低功耗量子雷达（拟议中的遥感设备，可应用于隐形短程目标探测或机器人应用中的近距离感应和环境扫描）需要极高效的电磁场感应探测器。目前正在利用金刚石中的缺陷开发这种探测器，它具有前所未有的灵敏度，同时还能达到足够的动态范围和分辨率。精确的温度传感器和其他医疗用传感器目前也在开发之中。人们对新的实验室仪器（如超分辨率成像）很感兴趣。基于芯片的单光子源已被用于利用状态挤压技术进行高精度量子计量。
通过使用紧凑型量子光源、片上检测和信号路由，光子集成可改善此类传感器的性能、尺寸、重量和功率。其中，基于超导材料的集成单光子探测器在低温条件下具有前所未有的效率。此类探测器可与调制器和MEMS可调分束器等经典有源电路元件相结合，生成反馈回路、可重构电路、前馈操作以及经典光子应用电路，如片上功率稳定和高动态范围集成功率计。采用PIC可能最终实现大规模可制造、封装和便携式量子传感器和时钟。在有源元件集成、耦合和路由方面，这些努力与量子通信的同步目标自然有很大程度的重叠。
4）基础科学
量子技术的发展有赖于对量子效应的更好理解，而光子集成可以成为基础科学发现的推动力，如新的物理效应、功能或器件。例如，在集成光学和光机械腔体中赋予和控制新的量子效应（如来自耦合量子模式或高级频率梳量子特征的量子光）、宏观机械振荡器的量子相干性、量子光学神经网络、集成光子电路的新拓扑状态及其检测/表征。集成量子光探测器及其附加构件的开发和优化将与单光子和纠缠光子激光雷达、光学时钟、量子照明、光子变分学习和量子增强光学超分辨率有关，解决可扩展性和稳定性问题，包括快速片上数据分析。大多数光子量子技术都需要专门设计和优化的量子光源。
现在，正有一个庞大的科学团体正在研究不同类型的量子光源，从天然原子到固态量子发射器和非线性晶体，以满足个别应用的特定需求。
一般来说，qPIC平台可以从根本上理解新物理学，如拓扑物理学和非厄米物理学，还可以研究新物理学：如多体相变和动力学。
1）光子器件和组件
光子集成需要克服的挑战之一是如何将光子集成器件和/或组件与所需的量子应用相匹配。下表列出了目前正在开发用于集成的经典控制器件和电路的非详尽清单，其中，每种器件和电路都处于不同的成熟阶段。
2）集成到经典PIC平台
下表展示了几种需要集成量子光子构件以确保可扩展技术的应用。不过，不太可能有基于单一技术平台的“一刀切”解决方案：多种应用将需要定制的集成。
目前，有几种正在开发的平台正在针对特定的量子应用进行研究，特别是与经典的量子应用相比，这些平台是否适合新的混合方法（例如，低温超导探测器只有直接集成在芯片上才能充分发挥其潜力）。
3）潜在的障碍
所有这些平台在实施过程中都会遇到一些挑战，其中有些是直接从经典领域应用中继承下来的，有些则是qPIC所特有的。事实上，本路线图无法全面概述所有这些问题。
无法将各种平台的光子损耗降低到量子应用所需的极低水平是一个严峻的挑战。当多个元件需要耦合在一起时，这一问题通常会更加严重，因为每个耦合都是潜在的损耗源。这个问题在量子计算等领域至关重要，因为这些领域的可扩展性在很大程度上取决于损耗的降低。一般来说，混合和多组件集成的需求（复杂性）与低损耗运行所需的结构简单性相互冲突。
总的来说，没有一个平台在所有领域都能达到相同的性能水平。例如，尽管硅光子技术有望用于量子通信和某些计算与模拟任务，但它在波长选择上受到很大限制，从而限制了可混合集成或耦合的光源类型。目前最好的按需单光子和纠缠光子量子点源的发射能量大多高于硅带隙，因此需要SiN混合平台或III-V混合平台。这表明，真正按需源的量子信息处理不可能以纯硅光子学为中心。同样，NV色心源也需要独立于主流硅光子学的全新定制解决方案。目前的研究分散在各种临时解决方案中，这增加了延迟确定少数能够满足大多数应用要求的通用未来平台的风险。
IPQT界面临的挑战主要是如何平衡不同的需求和扩展性能，并提出巧妙的解决方案来绕过这些障碍。
尽管对经典光子集成进行了广泛的研究和开发(R&D)，但就广泛应用和市场渗透而言，它仍处于早期阶段。目前正在研究一些混合和异构集成平台，其中一部分可能在未来几年内成为部署数据中心、5G和物联网应用的领先技术。IPQT是在这些可预见的短期和中期发展的基础上出现的，目前已经有一个强大而充满活力的生态系统，可以利用它来生成IPQT和服务的全球供应链。
受益于早期投资和利用经典平台的研究领域，将最有机会被用作可扩展和稳健的qPIC设备的基础。然而，在没有国家机构大力支持和协调的情况下，存在着将研究工作分散到一系列竞争性活动中的风险。为了避免这种风险，并有可能在特定课题中获得可持续的竞争地位，需要促进建立一个高度可见的IPQT基础设施和研究基地。可以围绕现有的经典设施建立一个社区，鼓励同时利用（或部分转换）这些设施开展量子技术活动。
由于许多经典光子集成平台目前分散在多个定制解决方案中，因此包容性IPQT计划应强调合作努力。这将使已开发的平台蓬勃发展，并建立一个可广泛利用的多技术基础设施。许多国家一直在大力投资于强大的量子技术研究计划，投资额高达数十亿欧元；令人鼓舞的是，包括IPQT和qPIC在内的这些努力正开始在全球范围内实现。
1）欧洲
欧洲拥有光子集成方面的经验和专业知识，再加上充满活力的研究和创新生态系统，可以利用这些经验和专业知识创建量子技术的全球量子供应链。
除了一些欧洲成员国的顶级设施和世界领先的团体外，欧洲还有一些大型研究和技术组织，拥有专门的洁净室设施，支持光子设备和组件的研发及其与系统的集成。在欧盟资助的量子旗舰项目中，集成量子光子学已被视为量子通信供应链的基础技术。有几项计划旨在开发量子随机数发生器(QRNG)以及用于端到端量子比特传输的组件和模块。在量子旗舰项目的量子计算和模拟支柱中，光子技术是一项关键的使能技术，而光量子比特已被确定为技术成熟度处于中等水平的平台之一。芯片集成光子学的发展也是量子传感和计量供应链的关键要素之一。此外，IPQT和qPIC在QuantERA（欧洲研究领域网络 (ERA-NET)）国家共同资助的量子技术计划中占有重要地位；研究重点是开发集成到量子光子电路中的优化材料、架构和器件。
自2013年开始实施的英国国家量子技术计划对欧洲的努力进行了补充。该计划促成了量子通信中心和量子计算与仿真中心的成立，这两个中心都有关于IPQT和qPIC的工作计划，包括建立一个侧重于量子光子器件的设计、制造、测试、封装和快速设备原型开发的服务机构，以及一个专门的硅量子光子学计划。
2）澳大利亚
澳大利亚在光子学领域的学术研究和产业发展方面历来实力雄厚。光谱学、网络安全和量子计算领域涌现出的几家初创企业，推动了向量子光子学的转型。澳大利亚拥有多个大型光子学和量子技术卓越中心，各政府机构也为此投入了大量资金。
在量子光子学领域，研究优势在于开发固态量子比特（基于金刚石、六方氮化硼和稀土系统）、俘获离子、量子光机械学、原子钟(EQUS、TMOS和CQC2T)以及集成量子光子电路的制造。
这些领域的研究人员数量正在稳步增长，澳大利亚完全有能力将这些技术推向市场，并培养新一代的科学家和工程师。
3）亚洲
在亚洲，中国一直大力支持光子量子技术的发展。在基于光子的量子计算领域和实现千公里级空对地QKD方面，中国拥有重要的知识基础，这两个领域都将受益于基于芯片的光量子技术。
自2015年以来，中国的主要资助机构（如中国科学院、中国自然科学基金会和科技部，以及合肥、上海、济南、广东和北京等地的地方机构）已为开发IPQT提供了超过5000万元人民币的资助，可能还会有更多的投资。这些研究计划涵盖了各种PIC平台，如砷化镓、硅、氮化硅、激光写入玻璃、铌酸锂和金刚石，目标是实际实现光量子计算、QKD和传感任务。
新加坡也有一个强大的量子计划，包括量子光子学。新加坡在近15年前成立了量子技术中心，并制定了国家量子工程计划，为重点研究项目提供资金。后者目前已进入第二个周期，目的是将量子科学和技术发展成为现实世界应用的解决方案。该计划支持四大支柱领域的研究：通信与安全、计算、传感器和铸造。其中包括单光子或少光子水平的光量子控制、基于波导和光纤的超大规模光子集成平台、硅量子光子学、QRNG和量子密码学。
日本在集成光子学技术方面拥有深厚的背景，这些技术已被开发用于商业光通信。低损耗、大规模集成电路为IQPT的开创性研究做出了贡献，如首次将片上光波导电路应用于量子技术(QKD)和实现通用线性光学qPIC。
3）北美洲
在美国，政府、学术界和私营部门的支持对开发和制造PIC技术起到了重要作用，这些技术应用于经典和量子领域的交叉点（如射噪声限制相干接收器）和量子信息技术，如纠缠光子源。最成熟的PIC架构包括基于硅、锗、氮化硅、III-V 族化合物半导体、铌酸锂和聚合物的PIC架构。
例如，美国能源部(DOE)先进科学计算研究办公室于2020年2月组织的量子互联网蓝图研讨会为若干优先研究机会确定了PIC，包括量子网络组件的设备扩展、微型化和集成，如量子光源、具有高效光学接口的量子存储器、低功耗开关和多路复用、量子频率转换和传导以及高效单光子探测器。目标器件需要满足可靠性和可扩展性方面的严格要求，并能在较大的温度波动范围内（从室温到液氦温度）正常工作。要取得进展，就必须应对在PIC材料、制造、设备连接和标准化方面的挑战。
加拿大设立了量子光子传感和安全计划，以原型验证量子系统，提供超越经典光子学的测量和通信解决方案，特别是在量子加密和安全、环境和健康监测传感器领域。加拿大航天局启动了量子加密和科学卫星任务，目的是将卫星和地面网络连接起来，以演示远距离QKD。在墨西哥，参与开发qPIC的努力日益增多，主要得到政府机构（国家科学技术委员会）和主要学术机构（墨西哥国立自治大学）的支持。墨西哥正在建立一个学术平台，以培训专家，并在未来五年内建立以光子-量子-信息为导向的公司。
集成光子学正在推动量子设备的规模化和商业化。
在过去十年中，世界上不同地区都建立了光子集成研究中心，这些研究中心在光子集成方面具有很强的专业知识。这些发展，加上全球社会对IPQT的关注，有望推动量子通信、计算和模拟、传感和计量以及整个量子科学的发展。
需要注意的是，IPQT的创新周期非常复杂，需要投资、解决具体的技术难题并进一步构建成熟的生态系统。为此，我们有必要齐心协力，加强事先知情同意程序。这需要培育关键技术、开展合作、应对新兴市场和支持全球基础设施。与此同时，还需要大力支持与IPQT相关的材料、器件和组件的开发，并在全球范围内开展量身定制的研究和创新计划。用于量子技术的光子电路的主要性能由新型和改良材料、先进的集成和封装驱动。需要开展协调计划，投资开发新光子集成平台的元件和供应链，并建设混合和异构集成的基础设施，以应对IPQT的挑战，满足全球市场的需求。
量子技术的集成电路是基于在单个芯片上集成多项关键技术。每种技术都是围绕一个共同的平台构建的，需要不同的专业技术、设备和设施在全球共享的基础设施下进行整合。
此外，我们还需要投资教育，培养下一代IPQT工程师。无论商业量子设备采用哪种技术，量子力学的基本原理都是相同的。根据预测，对掌握大量量子力学及其技术应用知识的科学家和工程师的需求将与日俱增：投资教育下一代将有助于推动科学和技术前沿的发展。
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41377-023-01173-8[2]https://www.nature.com/articles/s42254-021-00398-z[3]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/ac1ef4