上海微系統(tǒng)所在大規(guī)模異質(zhì)集成光量子芯片方面取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】研究背景：與傳統(tǒng)微電子芯片的發(fā)展路徑類似，光量子芯片的出現(xiàn)是推動(dòng)光量子信息技術(shù)走向?qū)嵱没谋厝悔厔荨．?dāng)前主流光量子芯片主要依賴基于非線性光學(xué)過程的概率性光源產(chǎn)生單光子信號(hào)，因光子發(fā)射具有“幾率”特性，導(dǎo)致發(fā)射效率低、多光子量子比特制備困難。相比之下，固態(tài)原子(如自組裝量子點(diǎn)、金剛石色心等)具有類原子的二能級(jí)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)確定性、高效率的單光子發(fā)射，是實(shí)現(xiàn)片上多光子量子比特制備的理想光源。然而，固態(tài)量子光源仍面臨頻率非均勻展寬與缺乏高效混合集成技術(shù)等關(guān)鍵瓶頸，嚴(yán)重限制了其在大規(guī)模片上集成與量子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用，成為光量子芯片實(shí)用化進(jìn)程中的核心挑戰(zhàn)。
 

　　針對上述問題，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所張加祥研究員、歐欣研究員聯(lián)合中山大學(xué)劉進(jìn)教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)霍永恒教授團(tuán)隊(duì)在 Nature Materials發(fā)表了題為 “Large-scale quantum-dot–lithium-niobate hybrid integrated photonic circuits enabling on-chip quantum networking” 的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了基于固態(tài)原子(半導(dǎo)體量子點(diǎn))確定性單光子源與低損耗鈮酸鋰薄膜的混合集成光量子芯片，并提出基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的片上局域應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)單光子源寬范圍、高動(dòng)態(tài)、可逆的光譜精細(xì)調(diào)諧。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出基于“微轉(zhuǎn)印”工藝的百納米精度混合集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)20個(gè)確定性量子點(diǎn)單光子源的同步片上集成與光譜調(diào)諧。通過材料功能創(chuàng)新與混合芯片架構(gòu)突破，研究團(tuán)隊(duì)首次在混合集成光量子芯片上實(shí)現(xiàn)了空間分離的量子點(diǎn)單光子源之間的片上量子干涉互聯(lián)，為構(gòu)建可擴(kuò)展的片上量子網(wǎng)絡(luò)奠定了重要基礎(chǔ)。
 

大規(guī)模半導(dǎo)體量子點(diǎn)-鈮酸鋰薄膜混合集成光量子芯片
 

　　研究亮點(diǎn)
 

　　1.結(jié)合自組裝量子點(diǎn)與鈮酸鋰這兩種在光學(xué)研究領(lǐng)域中具有巨大優(yōu)勢的量子材料，針對光量子芯片中多光子態(tài)擴(kuò)展化制備這一長期存在的難題，創(chuàng)新“微轉(zhuǎn)印”混合芯片集成工藝，實(shí)現(xiàn)20個(gè)量子確定性量子光源與低損耗鈮酸鋰光子芯片的混合集成，構(gòu)建了目前國際上基于量子點(diǎn)確定性光源的最大規(guī)模混合集成光量子芯片；
 

　　2.針對片上固態(tài)量子體系(如量子點(diǎn)、金剛石色心等)固有的非均勻展寬問題，提出基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的新型直流電壓驅(qū)動(dòng)局域應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)五個(gè)關(guān)鍵特性集成：芯片集成、寬域調(diào)諧、4K低溫兼容、超低功耗(mW量級(jí))以及可逆調(diào)控，這一方法不僅拓展了鈮酸鋰材料除電光調(diào)制和聲表面波之外片上量子調(diào)控這一新功能維度，為其它新興鐵電薄膜材料，如鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶(STO)等在片上量子調(diào)控應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)。
 

　　關(guān)鍵突破點(diǎn)
 

　　(1)提出鈮酸鋰薄膜上應(yīng)力調(diào)控新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)片上應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)控量子點(diǎn)確定性單光子源，光譜調(diào)諧范圍達(dá)到7.7 meV，超過量子點(diǎn)單光子變換極限線寬三個(gè)數(shù)量級(jí)；
 

　　(2)發(fā)展出百納米級(jí)精度的“微轉(zhuǎn)印”混合集成工藝，實(shí)現(xiàn)多達(dá)20個(gè)量子點(diǎn)確定性單光子源的片上同時(shí)集成和光譜調(diào)諧，基于該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)片上不同量子點(diǎn)單光子源的量子干涉互聯(lián)，片上互聯(lián)距離0.48 mm，干涉可見度73%；
 

　　(3)基于鈮酸鋰鐵電疇工程的片上應(yīng)力調(diào)控技術(shù)具有4K低溫兼容、應(yīng)力輸出溫度不敏感、空間局域和超低功耗輸出等優(yōu)異特性，支持千量級(jí)量子點(diǎn)光源的同時(shí)芯片集成，為片上擴(kuò)展化多光子資源制備提供重要技術(shù)路線。
 

　　圖文解讀
 

　　圖1：(a)大規(guī)模半導(dǎo)體量子點(diǎn)-鈮酸鋰薄膜混合集成光量子芯片。(b)具有局域應(yīng)力調(diào)控功能的混合量子點(diǎn)-鈮酸鋰集成波導(dǎo)。(c)低溫下X-切鈮酸鋰薄膜直流驅(qū)動(dòng)鐵電疇工程實(shí)現(xiàn)片上局域應(yīng)力。(d)鈮酸鋰薄膜上各項(xiàng)異性局域應(yīng)力。
 

　　圖2：(a)不同取向的量子點(diǎn)砷化鎵-鈮酸鋰混合集成波導(dǎo)，單光子信號(hào)可通過波導(dǎo)頂部或光柵耦合器輸出。(b，c)不同波導(dǎo)取向的片上應(yīng)力調(diào)控。(d)取向角度相關(guān)應(yīng)力張量分布的數(shù)值仿真。(e，f)波導(dǎo)取向相關(guān)的量子點(diǎn)能帶調(diào)諧數(shù)值仿真。
 

　　圖3：波導(dǎo)取向相關(guān)的量子點(diǎn)局域應(yīng)力調(diào)控范圍統(tǒng)計(jì)，其中(a)為有二氧化硅絕緣層支撐的量子點(diǎn)/鈮酸鋰混合波導(dǎo)(b)為無二氧化硅絕緣層支撐的量子點(diǎn)/鈮酸鋰混合波導(dǎo)。(c)最優(yōu)化角度(88o)處波導(dǎo)耦合量子點(diǎn)的可逆和大光譜范圍調(diào)諧結(jié)果，調(diào)諧范圍(d)7.7 meV。(e)局域應(yīng)力調(diào)控量子點(diǎn)時(shí)單光子熒光線寬變化。
 

　　圖4：(a)含20通道量子點(diǎn)確定性單光子源的鈮酸鋰混合集成光量子芯片。(b, c)量子點(diǎn)-鈮酸鋰混合集成波導(dǎo)掃描電子顯微鏡照片。(d)片上20通道量子點(diǎn)確定性光源的同時(shí)局域光譜調(diào)諧，局域調(diào)諧范圍0.76 meV/400V, 紅色區(qū)域?yàn)?0通道量子光源調(diào)諧后的‘同頻’區(qū)域。(e, f, g)通道5和6中兩個(gè)不同頻量子點(diǎn)的同時(shí)局域調(diào)控。(h，i)片上兩個(gè)波導(dǎo)耦合量子點(diǎn)的雙光子共振測試。
 

　　未來展望
 

　　該工作結(jié)合自組裝量子點(diǎn)與鈮酸鋰這兩種在光學(xué)研究領(lǐng)域中具有巨大優(yōu)勢的量子材料，為擴(kuò)展化光量子芯片的發(fā)展提供了新的技術(shù)路線。同時(shí)，平臺(tái)具有進(jìn)一步擴(kuò)展?jié)摿Γ?dāng)前量子點(diǎn)單光子源的片上集成密度可達(dá) 67 個(gè)/mm, 因此厘米級(jí)芯片可容納 1000+量子通道。此外，單通道量子點(diǎn)單光子源局域應(yīng)力調(diào)控僅需要微瓦功率損耗，相比硅光子芯片中毫瓦功耗的熱光調(diào)控降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)，其低溫兼容性和微瓦級(jí)功耗，可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)納米線單光子探測器的同時(shí)芯片集成。研究團(tuán)隊(duì)還表示，未來還可進(jìn)一步利用鈮酸鋰材料的高速電光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)片上光子的高速路由與糾纏分發(fā)，這一成果為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)線性光量子計(jì)算與可擴(kuò)展量子互聯(lián)網(wǎng)提供了全新技術(shù)方案。
 

　　論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士王旭東，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)霍永恒教授、中山大學(xué)劉進(jìn)教授、上海微系統(tǒng)所歐欣與張加祥研究員。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFA1404604)國家自然科學(xué)基金(12074400, 62474168, 62293521, 62474168)和中國科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持(YSBR-112)等項(xiàng)目的支持。