未来十年，集成光子学将助飞量子革命（上篇）

要点一览

  Key ponints

- PIC平台：虽然硅基光子学由于波导损耗低和现有的代工基础设施而一直是QPIC的主力，但其他材料平台的开发进一步扩展了硅所能提供的功能：包括III-V族半导体、铌酸锂(LN)、碳化硅(SiC)、氮化物、金刚石和五氧化二钽(Ta2O5)。量子光子学的未来发展可能需要一种异质方法，将多种事先知情同意材料结合起来，以实现集成激光器和放大器、无源器件、调制器、量子频率转换器、高效探测器或芯片到光纤耦合器以及控制逻辑等高级功能。

- 量子和经典光源及量子比特：产生单光子、纠缠光子对、挤压光和其他非经典状态的量子光源是量子信息科学的基础资源。基于InAs量子点(QD)的量子发射器、金刚石和碳化硅中的缺陷、硅中的发射中心以及若干非线性PIC中的概率源取得了快速发展，已成功应用于通信、计算和网络领域的众多应用。为了提高光子生成的质量、效率和速率，必须进一步开发改进PIC集成度的技术。同样，由于这些光源目前依赖于片外光泵浦，因此提高其效率将有助于在芯片上集成精密和可调的泵浦激光器、滤波器和控制电子设备，从而实现封装的交钥匙系统。这种异构集成可能需要超越当前单一平台设计规则的协同设计方法。

- 量子频率转换：量子频率转换(QFC)对于在不同波长范围内运行的量子系统之间建立互联至关重要，例如，将捕获离子量子处理器与中性原子集合量子存储器或具有微波频率超导量子比特的光学网络连接起来。目前已有许多频率转换方法，包括光机械学、非线性光子学和光电子学，为实现从紫外线到电信波长的高转换效率和低附加噪声提供了令人兴奋的前景。

- 集成探测器：为了充分利用集成光子学带来的低损耗和高吞吐量优势，需要制定有效方案，在芯片上耦合具有单光子和光子数分辨能力的高性能光电探测器。基于超导纳米线的探测器可在低温下工作，是目前最有前途的技术，具有接近统一量子效率、低抖动和低暗计速率的特点。然而，所需的冷却设备设置了系统限制，而室温方法可消除kBT噪声，这将改变QPIC的游戏规则。单光子雪崩光电二极管(APD)因其接近室温工作而颇具吸引力，但要与超导探测器竞争，还需要提高其性能。值得注意的是，这两种技术都可以通过直接生长、薄膜沉积或芯片到芯片键合的方式与各种专用集成电路平台集成。

- 应用：量子光子技术的潜在影响是巨大的，从全光量子计算、量子加密和网络到机器学习、传感以及与芯片级离子阱等其他量子系统的接口。关键的挑战在于扩大集成组件的数量、提高片上功能和性能、保持较低的过量噪声和损耗，同时实现无缝组装和封装。