CN216352386U

CN216352386U - 集成光量子计算芯片

Info

Publication number: CN216352386U
Application number: CN202120488016.7U
Authority: CN
Inventors: 王辉; 彭礼超; 覃俭; 钟翰森; 何玉明; 陆朝阳; 潘建伟
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2031-03-05

Abstract

本实用新型提供了一种集成光量子计算芯片，所述集成光量子计算芯片包括：压缩光源阵列或纠缠光源阵列，用于产生同时满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；全连通可调大规模干涉网络，用于实现对输入光量子态的任意幺正变换；单光子探测器阵列，用于对所述全连通可调大规模干涉网络输出的光量子态进行探测；控制反馈和电子学编程，实现对所述全连通可调大规模干涉网络的每个矩阵元素进行编程、反馈和控制。通过采用本实用新型基于多种光学材料设计的量子光源，可产生满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；探测器阵列和量子光源、光量子干涉线路等集成一体化的光量子芯片上，具有高度集成，低损耗的优点。

Description

集成光量子计算芯片

技术领域

本实用新型涉及量子信息与量子光学技术领域，尤其涉及一种集成光量子计算芯片架构。

背景技术

量子计算近年来得到高速发展，同时在量子比特数目和操作精度两个重要方面取得了巨大进步。多种物理体系，如离子阱，超导，光晶格，光镊原子，硅量子点，光量子计算等，均朝着小型化、可编程的方向快速发展。

光量子计算在小型化方面也取得了一些进展。比如在可调干涉网络方面，基于材料的电光、热光等效应，通过外加快速的电、热、力学调节，从而实现相位和分束比完全可调的单个分束器，通过并联和串联这些器件原则上可实现大规模的干涉网络。

光学波导的横截面尺寸在百纳米左右即可实现单模单偏振光的有效传播。因此，在大型多模式干涉仪的应用中，一个厘米大小的芯片能容纳下成千上万个可调器件，因此在量子计算的发展中将起到重要作用。在纠缠光源方面，片上集成的二阶参量下转换、三阶的四波混频等均证明可实现品质优良的纠缠光源或可预报的单光子源。片上集成的单模压缩光源也有一些原理验证性的实验，但实现同时满足高压缩量、高收集效率、高纯度、高度全同性的压缩光源还存在很大的技术挑战。另一方面，大型集成纠缠光源或压缩光源的芯片仍然未有报道，是未来量子计算的一个重要方向。

集成一体化的光量子计算方面，需要在兼容现有和可近期发展的微纳加工工艺的支撑下，将量子光源(纠缠源或压缩光源)、多模式干涉仪等器件集成到同一个芯片中，并且将光纤、电子学调控器件等封装至同一个芯片当中，实现可编程的大规模光量子计算芯片。这将是实现可拓展的光量子计算的重要一步，也是当前量子计算领域亟待解决的重要技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种集成光量子计算芯片及其制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种集成光量子计算芯片包括：

压缩光源阵列或纠缠光源阵列，用于产生同时满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；

全连通可调大规模干涉网络，用于实现对输入光量子态的任意幺正变换；

单光子探测器阵列，用于对所述全连通可调大规模干涉网络输出的光量子态进行探测；

控制反馈和电子学编程，实现对所述全连通可调大规模干涉网络的每个矩阵元素进行编程、反馈和控制。

其中，所述压缩光源阵列或纠缠光源阵列包括光纤-芯片光栅耦合器、非线性环形腔和滤波器，其中，所述非线性环形腔包括硅材料螺旋线结构，和/或，氮化硅或周期性极化铌酸铝材料滑轮状干涉腔；

所述滑轮状干涉腔还包括第一耦合器、相位调节器和第二耦合器、谐振腔。

其中，所述全连通可调大规模干涉网络包括多组串联或并联的马赫曾德干涉器件，其中，所述马赫曾德干涉器件包括输入相位调节器，两个分束器，干涉臂相位调节器，所述马赫曾德干涉器件用于实现任意可调分束比。

其中，所述输入相位调节器和干涉臂相位调节器包括加热电极利用热光效应调节局部波导的折射率，从而调节光的相位。

其中，所述单光子探测器阵列包括超导纳米线和输出电极，用于探测量子态并输出响应电信号。

其中，所述控制反馈和电子学编程包括超导纳米线、输出电极，用于探测量子态并输出响应电信号。

其中，所述控制反馈和电子学编程还包括：导出线、焊接盘、外部电子控制器，所述控制反馈和电子学编程用于产生相位加热所需的反馈、控制的电信号。

其中，所述压缩光源阵列或纠缠光源阵列、全连通可调大规模干涉网络、单光子探测器阵列集成在同一块芯片上，组成一体的光量子计算芯片。

基于上述技术方案可知，本实用新型的集成光量子计算芯片及其制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)通过采用本实用新型基于多种光学材料设计的量子光源，可产生满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；

(2)光量子干涉线路具有全连通，可编程，相位稳定的特点。可实现任意两个输入模式间全连通的干涉以及实现对输入光量子态的任意幺正变换矩阵；

(3)探测器阵列和量子光源、光量子干涉线路等集成一体化的光量子芯片上，具有高度集成，低损耗的优点。

附图说明

图1示意了根据本实用新型实施例的集成光量子计算芯片的结构示意图；

图2示意了根据本实用新型实施例1中硅材料光量子计算芯片示意图；

图3示意了根据本实用新型实施例1中的四波混频原理示意图；

图4示意了根据本实用新型实施例的马赫曾德干涉仪原理图；

图5示意了根据本实用新型实施例的三角形干涉线路示意图；

图6示意了根据本实用新型实施例的方形干涉线路示意图；

图7示意了根据本实用新型实施例的滑轮状量子光源示意图；

图8示意了根据本实用新型实施例的氮化硅波导截面示意图；

图9示意了根据本实用新型实施例的氮化硅材料光量子计算芯片示意图；

图10示意了根据本实用新型实施例的周期性极化铌酸铝材料光量子计算芯片示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

在本实用新型的实施例1中，提供了一种基于硅材料的一体化集成光量子计算芯片，该集成光量子计算芯片集成了多个压缩光源、全连通可调大规模干涉网络、单光子探测器阵列和控制反馈和电子学编程等模块，可应用于如高斯波色取样光量子计算机。可拓展可编程的光量子计算芯片的结构如图1所示，包括N个量子压缩光源，M*M维的可编程光量子干涉线路，M个单光子探测器，控制-反馈和电子学编程模块，电子学信号处理等部分。

在本实施例中，如图2所示，从左至右，泵浦脉冲激光通过基于光栅的光纤-芯片耦合器110进入到波导中，泵浦激光传输到硅螺旋线压缩光源120，通过四波混频非线性过程，产生频率解关联的双模压缩真空光量子态。其中，四波混频过程和硅螺旋线压缩光源的结构如图3所示。

四波混频的原理是，硅材料有比较强的非线性系数，可以发生四波混频的三阶非线性效应过程。此过程遵循能量和动量守恒，如图3(a)所示。硅材料可以吸收两个泵浦光子(频率分别为ω₁和ω₂)，然后以一定的概率释放出两个频率为ω₀的光子。如图3(b)所示的环形结构可以提高转换效率，并且出射光子会直接耦合到波导中。另一个重要特点是出射光子在模式、频率等自由度完全简并，是完美的单模压缩态。其次，两台脉冲激光器之间需要进行重频同步，保证高的转换效率。

由于能量守恒定律，出射光子之间存在一定的频率关联，这很大程度上影响了光子的全同性。为解决此问题，本实施例中，作为可选的方案，我们采用双模波导结构，在特定的波导横截面大小和形状下，可以找到出射光子的折射率关系满足反对称的关系。由于频率转换后的光子是激光能量-折射率关系和材料能量-折射率关系的乘积，因此可以解决频率关联问题，产生高度不可分辨的量子光源。另一个可选的方案是，直接用环形腔增强下转换效率，同时提高光子态纯度。冗余的激发光则会由波导导出芯片，避免影响整个芯片的稳定性。

此光源一方面可以产生高保真度的最大纠缠态。在低功率下，可以产生任意的偏振纠缠态(或time-bin纠缠)。另一方面，可以加大激光泵浦功率，产生高压缩量的压缩光源，用于高斯玻色采样、GKP量子纠错码等量子计算。基于这种设计，我们可以实现量子光源的高压缩量、高度不可分辨性两个重要参数。

产生的压缩真空光量子态信号通过布拉格滤波器130后，经过由相位调节器140和波导耦合区141组成的马赫曾德干涉仪，输入到全连通的干涉网络，其作用是对输入态进行幺正变换。普适的幺正变换可按照一定构型级联多个分束器和移相器来实现。其中要求分束器的分束比和移相器的相位可以做任意改变。在本实施例中，硅基波导中的移相器的相位可通过局部改变波导的温度，这会相应改变波导的折射率，从而实现改变相位的目的。而分束器的分束比是通过一个马赫-曾德尔干涉仪来实现，如图4所示。干涉器件有两个分束器组成，其中一条干涉臂上加有Au/Ti的加热电极142，在加载电流后，干涉仪两条路径之间的相位会改变，从而改变输出口的出光强度，达到可调分束器的目的。将大量的如图4的可调分束器按照方型或者三角型连接，可实现普适的幺正变换。图5是按照三角型连接的10模式的幺正变换，图6是按照方型连接的10模式的幺正变换。

经过传输和变换后的光子入射到超导纳米线160，整个芯片在约2开尔文温度下运行，预报效率能达到95％以上，并输出响应电信号。

在本实施例中，硅基光量子计算芯片加工过程步骤为：A1在二氧化硅的衬底上生长特定厚度的硅膜。然后，生长光刻胶，进行特定图案的紫外线曝光；A2接着进行离子束刻蚀(ICP)，刻蚀出光源、分束器、滤波器、二色镜等等效器件。A3在芯片表面沉积～um厚度的二氧化硅绝缘层，保护整个微纳结构。绝缘层一般会打磨至微米厚度以下，用于绝缘层，同时减小光子损失。A4为了整个芯片的可编程性，每个分束器会做成振幅和相位完全可调的器件。这是通过在分束器上加两个加热器(Au/Ti)实现，不同的温度会引起波导折射率的改变，从而达到改变相位和振幅的目的。A5进行第二次电子束曝光，确定Ti加热器的图案，然后沉积～100nm厚度的Ti。所有的焊接金属盘和线通过紫外光刻进行定位，然后进行金的沉积和蒸发，形成导出线和焊接盘。A6整个芯片会先进行光纤固定，包括输入光纤和输出光纤；A7然后整个芯片将进行电学封装，固定到最后的PCB板上，和外部的电子学部分连接，从而达到整个芯片可编程的目的。原则上，该芯片可以扩展到成千上万个输入输出模式，包括器件个数达到百万以上个。

实施例2

在本实用新型的实施例2中，提供了一种基于氮化硅材料的集成光量子计算芯片。第二个实施例的集成光量子计算芯片与第一个实施例相比，选择了氮化硅作为波导材料。

在本实施例中，优选的，基于Si₃N₄的独立的量子光源设计如图7所示。输入的激发光通过第一耦合器进入高品质因子的谐振腔。在光-Si₃N₄的相互作用下，腔内会发生四波混频过程。其中腔的高品质因子是保证高效率的参量四波混频过程发生的基础。此设计下，总体耦合系数t满足，

为可以保证产生的参量光能全部从输出端输出，只需要保证单个耦合器的分束比

为50％即可，极大的降低了工艺的难度。但相应的代价是激发光的功率需要增加至原来的2倍左右。

在本实施例中，Si₃N₄波导的具有超低损耗(100um的曲率半径下，损耗为约0.1dB/cm)特性，将极大拓展芯片规模。其工艺流程如下：B1在Si片上进行湿氧化反应，产生一定厚度的SiO₂氧化膜；B2生长约70-80nm厚度的Si₃N₄；生长约100nm的SiO₂薄膜；B3沉积170-180nm厚度的Si₃N₄；B4进行掩膜和EBL曝光，然后进行ICP刻蚀，刻蚀出波导、微环腔滤波器等；B5生长约100nm厚度的SiO₂覆盖层，打磨平；B6掩膜、电子束曝光等确定Au/Ti电极及pad的形状，然后进行刻蚀；B7沉积Au/Ti电极；B8芯片封装。

按照上述流程制作的波导的横截面如图8所示，模场大小约1.5*1.2um。为了将模式转变为接近单模光纤的高斯模式，可在波导末端加上锥形模式转换器，长度约百um，方向可沿垂直方向或水平方向，耦合效率可达1dB。

基于Si₃N₄的波导内部整体如图9所示，此芯片将同时集成光源、可调干涉仪及单光子探测器。其中210,220,230,240部分为光源部分，可产生高压缩系数的压缩光。250,251,252,260部分为可调干涉网络部分，270为单光子探测部分。冗余激光可3微腔式滤波器直接滤掉而引出芯片。

实施例3

在本实用新型的实施例3中，提供了一种基于铌酸锂(LN)材料的集成光量子计算芯片。整体的芯片结构和工作流程与实施例2类似，但优选的，本实施例采用基于周期性极化的铌酸锂(PPLN)材料，铌酸锂材料具有宽带宽(350nm至5200nm)的透过率，高的电光反应速率，以及高的二阶非线性(d33＝27pm/V)等优点，基于自发参量下转换过程，可实现高亮度的量子光源。在本实施例中，波导芯片的整体结构如图10所示。

基于自发参量下转换过程(SPDC)，满足准相位匹配条件

时，其中i，s，p分别表示闲频光、信号光和泵浦光，k_j为波数，SPDC满足ω_p-ω_s-ω_i＝0，A为极化周期。

泵浦激光经过光栅耦合器310进入到波导芯片，在铌酸锂环形腔320中通过自发参量下转换过程产生实验需要的压缩真空态或纠缠态，压缩真空态和纠缠态通过铌酸锂波导耦合器330输出，经过滤波器340后，泵浦光被滤除，然后经过相位调节器341和波导耦合区342组成的马赫曾德干涉仪进入到干涉网络350进行干涉，最后在干涉仪每个出口，光子被单光子探测器360接受和探测。

为了满足相位匹配，极化周期约为4微米。PPLN波导是在X-切割的绝缘铌酸锂晶片上制作的，加工流程如下：C1在硅衬底上热生长约2微米的二氧化硅层，然后生长一层约500nm的LN薄层。C2通过电子束蒸发，沉积15nm铬以及约60nm厚度的金层，然后可以在金属层上准备加工周期结构的图案；C3通过金属提升的过程，在极化焊盘上施加一系列以20毫秒为周期的高压电脉冲，形成极化反转区域；C4在干涉线路部分，进行第二实施例中B4至B8类似的过程。

对所公开的实施例，本实用新型的集成光量子计算芯片具有集成量子光源、干涉线路、超导单光子探测器的特点。

对所公开的实施例，本实用新型的量子光源数量和干涉网络模式数具有可拓展性，采用本实用新型的方法，能够实现高品质的量子光源，全连通、任意可调的干涉线路和高效率的单光子探测。可满足如波色采样量子计算等大规模的光量子计算、量子精密测量的应用。

本实用新型具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应所理解的是，附图和具体实施例中具体的量子光源数量和光量子干涉线路规模以及以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的方法和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，规模扩大等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种集成光量子计算芯片，其特征在于，所述集成光量子计算芯片包括：

压缩光源阵列或纠缠光源阵列，包括光纤-芯片光栅耦合器、非线性环形腔和滤波器，其中，所述非线性环形腔包括硅材料螺旋线结构，和/或，氮化硅或周期性极化铌酸铝材料滑轮状干涉腔；所述滑轮状干涉腔还包括第一耦合器、相位调节器和第二耦合器、谐振腔；所述压缩光源阵列或纠缠光源阵列用于产生同时满足高压缩量、高纯度、高效率的压缩真空态；

全连通可调大规模干涉网络，包括多组串联或并联的马赫曾德干涉器件，其中，所述马赫曾德干涉器件包括输入相位调节器，两个分束器，干涉臂相位调节器，所述马赫曾德干涉器件用于实现任意可调分束比；所述全连通可调大规模干涉网络用于实现对输入光量子态的任意幺正变换；

单光子探测器阵列，包括超导纳米线和输出电极，用于对所述全连通可调大规模干涉网络输出的光量子态进行探测并输出响应电信号；

控制反馈和电子学编程，包括超导纳米线、输出电极、导出线、焊接盘、外部电子控制器，用于产生相位加热所需的反馈、控制的电信号，以实现对所述全连通可调大规模干涉网络的每个矩阵元素进行编程、反馈和控制。

2.根据权利要求1所述的集成光量子计算芯片，其特征在于，所述压缩光源阵列或纠缠光源阵列、全连通可调大规模干涉网络、单光子探测器阵列集成在同一块芯片上，组成一体的光量子计算芯片。