【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李浩、尤立星團隊在低溫光量子芯片方面取得重要進展。面向集成光量子計算、量子互連等應(yīng)用需求，研制出集成泵浦濾波與單光子探測功能的糾纏接收芯片，并完成低溫光量子芯片間的糾纏分發(fā)應(yīng)用演示，相關(guān)成果以“On-chip superconducting nanowire single-photon detectors integrated with pump rejection for entanglement characterization”為題發(fā)表于中國科學(xué)院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊Photonics Research上。
低溫光量子技術(shù)可用于低溫信號高保真讀出、跨平臺量子系統(tǒng)互連等，在量子計算和經(jīng)典高性能計算融合發(fā)展的趨勢下愈發(fā)關(guān)鍵。超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)憑借近理想探測效率、納秒級響應(yīng)速度及極低暗計數(shù)率，已成為構(gòu)建光量子技術(shù)體系的關(guān)鍵組件。實現(xiàn)SNSPD異質(zhì)集成的光量子芯片，可大幅降低芯片間光子耦合損耗，在提升系統(tǒng)集成度的同時顯著增強量子操作保真度與可擴展性。微環(huán)諧振器等片上量子光源通常需要使用毫瓦級泵浦光激發(fā)，導(dǎo)致單光子信號易受泵浦噪聲淹沒。因此，協(xié)同實現(xiàn)高抑制比泵浦濾波和單光子探測是進一步解鎖低溫光量子芯片集成度和應(yīng)用的重要突破口。本工作中，研究團隊提出了硅基無源泵浦濾波器與SNSPD的單片異質(zhì)集成方案(如圖1)。該方案采用交錯布拉格光柵結(jié)構(gòu)作為無源泵浦濾波器，兼容低溫工作環(huán)境的同時對SNSPD制備過程中引入的額外工藝步驟容忍度大，適合進行級聯(lián)以獲得高抑制比。實驗測得片上SNSPD在1550 nm波段實現(xiàn)飽和探測，系統(tǒng)探測效率達到20.1 %(片上量子效率約90%)，低溫片上泵浦濾波抑制比超過56 dB，展現(xiàn)了該異質(zhì)集成芯片的優(yōu)異性能(圖2)。
圖1 芯片結(jié)構(gòu)示意與電子顯微鏡圖。
圖2 片上泵浦濾波器與SNSPD性能表征結(jié)果。
為了驗證該芯片的能量-時間糾纏接收功能，研究團隊將微環(huán)中自發(fā)四波混頻產(chǎn)生的能量-時間糾纏光子對經(jīng)過波分復(fù)用器后分別發(fā)送至兩顆集成泵浦濾波器和SNSPD的芯片上，在兩組非正交測量基下測得Franson雙光子干涉原始可見度分別達到92.85% ± 5.95%與91.91% ± 7.34%(如圖3)，違背了貝爾不等式，完成低溫光量子芯片間的糾纏分發(fā)演示應(yīng)用，展現(xiàn)了其在未來量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力。
圖3 Franson雙光子干涉實驗結(jié)果。
論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生舒志運，通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員。上海微系統(tǒng)所尤立星研究員、清華大學(xué)張巍教授等對本工作進行了深入指導(dǎo)。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項目 (2023ZD0300100)、上海市量子重大專項 (2019SHZDZX01)、國家自然科學(xué)基金(61971408, 12033007, 92365210, U24A20320)以及中國科學(xué)院青年促進會項目(2020241, 2021230)的資助。
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