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亚马逊/哈佛团队研制新型“量子网络光接口”
AWS的研究人员Denis Sukachev、Chawina De-Eknamkul和Beibei Zeng在AWS博客中写道：“我们宣布在光子互连方面取得了前所未有的进步，它克服了传统的制造限制，展示了一种光纤设备接口，可以承受从室温到低温的多次循环冷却，并且不会带来额外的损耗。”
“这种封装的光子界面可以在低温下工作，并且插入损耗低至-0.4 dB(10%)。” 这种新方法是在AWS量子网络中心与哈佛量子计划(HQI)的研究联盟下开发的。10月16日，他们的研究成果发表在《Applied Physics Letters（应用物理通讯）》期刊上。
电信是我们现代生活的支柱，支持着跨城市、跨国家、跨大洲的商业、旅行和社会生活。所有这些活动都是通过在连接光纤的计算机之间共享信息来实现的。通过这些光纤传输的信息被编码成光脉冲，这些光脉冲需要被产生、调制、传输和检测。在每一步中，光从光纤传输到执行必要操作的光电设备，从而引入损耗。对于长距离通信，我们使用额外的硬件来补偿这些损失——增加网络的成本和能耗。 在量子通信中，由于使用弱光信号和与传统放大相关的基本物理限制，这些损耗变得更加有害。这些挑战由于许多量子器件的极端温度要求而变得更加复杂，这些器件通常在-270℃或更低的温度下工作。迄今为止，传统的制造技术还无法承受极端环境，同时还能保持光学界面中的每个光子。而防止信号丢失和乱码是发展有效量子网络和最终量子互联网的关键目标。 片上纳米光子电路的鲁棒、低损耗光子封装是集成光子学在各种经典和量子技术（包括光通信和量子通信、传感和转导）中部署的关键使能技术。到目前为止，还没有一种工艺能够实现从光纤到纳米光子电路的亚分贝损耗的永久、宽带和低温兼容耦合。
在这里，科学团队报告了一种技术，该技术可在锥形光纤和金刚石纳米光子器件之间再现地产生永久封装接口，在近红外波长(~ 730 nm)下，每面耦合损耗低于1 dB，在300 K至30 mK范围内保持稳定。此次，科学团队进一步证明了该技术与绝缘体波导上蚀刻铌酸锂的兼容性。该技术消除了光在光子器件和光纤之间传输时散射所带来的性能限制，为室温和低温下光子技术的可扩展集成铺平了道路。
AWS表示，这一进展是朝着“建造量子中继器”迈出的重要一步，该中继器可以在不破坏其所携带信息的量子性质的情况下纠正光子损失。它捕获并存储（而不是测量）编码的量子比特，以克服通信信道中的光子损失。” 该装置的核心部件是一个固定的量子比特——一种可以与光子通信并存储信息的量子存储器。最有前途的静止量子比特系统是建立在芯片上的，需要有效地与这些光纤连接。这一进步不仅可以构建量子网络的基本模块，比如可部署的量子中继器，还可以使传统的电信网络更快、更高效。
光纤中的光被紧紧地限制在一个直径只有几微米的区域内（人的头发直径约为100微米）。因此，低损耗接口需要精确（例如，一微米）的组件对齐，这很容易被破坏，或潜在地破坏设备。 这对于许多量子器件使用的低温操作来说尤其具有挑战性。当组件冷却时，材料根据其组成以不同的速率收缩，这意味着不同材料之间的光学界面几乎肯定会在冷却时变得不对齐。这类似于桥梁中不同的材料会被热膨胀破坏的方式；为了防止这种情况，桥梁路面有伸缩缝，使路面可以膨胀和收缩而不会破裂。 为了避免这个问题，光器件与光纤的对准通常是在器件冷却后进行的。可以通过微型马达来实现这一目标，它可以在低温下以超过1微米的精度移动光纤。这种方法对于学术界的许多概念验证演示至关重要，但由于硬件成本（和可靠性）问题，它不适用于大规模部署。由于微小的外部因素，比如附近道路上车辆的机械振动，部件也很容易偏离直线。 在新发表的论文中，AWS和哈佛大学的科学家们展示了在金刚石芯片和光纤上的光子器件之间的低温兼容封装，使用器件和光纤之间的绝热耦合。该方法将光纤的锥形端与光器件的锥形端进行物理接触，使光逐渐通过接口（见图），插入损耗小于-1dB。更重要的是，锥形端之间强大的范德华力使界面免受组件小位移的影响：两个锥形端都轻微弯曲，保持低插入损耗-这是克服热膨胀问题的关键特征。
光学对准完成后，将元件与温度稳定的环氧树脂固定在一起，环氧树脂沿着锥形绝热界面精确分散在精心选择的位置，从而实现光纤和金刚石光子晶体的永久封装：插入损耗为-0.4 dB。
研究小组通过反复将包装冷却到液氮温度（-200摄氏度），然后将其加热回室温，确认了包装的温度稳定性。最后，在稀释制冷机内将包装冷却到接近绝对零度(-273C)。在这些热循环期间，插入损耗没有改变，证明了封装的低温兼容性。
AWS报告称，最新进展不仅能够构建量子网络的基本模块，例如可部署的量子中继器，而且可以使传统电信网络更快、更高效。
参考链接：[1]https://www.hpcwire.com/2023/10/16/aws-harvard-report-optical-interface-advance-for-quantum-networks/[2]https://aws.amazon.com/cn/blogs/quantum-computing/introducing-a-new-temperature-resistant-packaging-technique-for-optical-devices/
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