大规模硅光集成光路在量子光学的应用

这篇笔记主要介绍硅光芯片在量子光学领域的应用进展。这两篇工作都是由英国布里斯托大学O' Brien研究组及其合作人员完成（该研究组最先利用硅光芯片进行量子光学领域的研究，做出了许多开创性的工作）。两篇工作基本的思路是，在硅光芯片上产生纠缠光子对，并进行纠缠态的逻辑操作与投影测量（单光子探测器在芯片外）。这两篇工作分别发表在2018年3月份的Science与2018年8月份的Nature Photonics, 由此可见其意义重大。值得一提的是，两篇文章的第一作者都是中国人，是来自北京大学与国防科大的两位老师。

1. 基于硅光芯片的高维纠缠态

第一篇工作发表于Science, 在硅光芯片上产生了高维纠缠态，并对其进行了操控与分析。整个芯片的结构示意图如下，

(图片来自文献1）

整个芯片非常复杂，包含16个自发四波混频(SFWM)光子对源，93个热光移器，122个MMI, 256个波导交叉器(waveguide-crosser)和64个光栅耦合器。整个光路含551个功能元件，可以称得上大规模集成光路。作为对比，光模块中硅光芯片一般用到的器件数目是10多个。

光路的第一部分利用MMI与热相移器构成的Mach-Zehnder干涉器对泵浦光进行分束，用于调节泵浦光在不同路径所占的比例。第二部分为光子对产生区，由16个螺旋线型的波导构成，泵浦光在此区域内发生自发四波混频，产生信号光子与闲置光子。由于光子对可以在16个路径中任一路径产生，其对应16维的纠缠态，

第三部分用于光子对的分离，由于信号光(1539.73nm)与闲置光(1549.32nm)的波长不一样，可利用Mach-Zehnder干涉器对其进行分离，最终信号光从芯片上方的端口输出，而闲置光从芯片下方的端口输出。第四部分对光子进行操控与分析，主要由Mach-Zehnder干涉器构成，通过改变相移器的相位，对应不同的逻辑操作与测量基矢。

Mach-Zehnder干涉器是整个光路逻辑操作的基本单元，这里再贴一下其对应的2x2矩阵。 Mach-Zehnder干涉器可以看成分光比可以动态调节的定向耦合器。

高维纠缠态产生后，研究人员进行了一系列的相关验证实验，包括量子态层析、系统维度验证实验、高维Bell不等式实验、高维随机扩张实验等。这里就不一一赘述了。

2. 任意两比特操作

第二篇工作发表于Nature Photonics, 采用大规模可编程的硅光集成光路，实现了任意的两比特逻辑操作。整个芯片的示意图如下，

（图片来自文献2）

整个芯片的尺寸为7.1mm x 1.9mm, 包含4个SFWM光子对源、4个泵浦光滤波器、82个MMI, 58个热相移器，18个波导交叉器与40个光栅耦合器。芯片上器件的数目相比于Science有所减少，总共含206个元件。

实验中，研究人员实现了98种不同的两比特幺正操作，平均保真度达到93.5%。此外，还进行了两比特算法的演示以及Sezegdy型量子行走的演示。但是相关的逻辑操作都是概率型的，这一点比较头疼，这也是光学量子计算需要解决的一个问题。

以上两篇工作都是在硅光芯片上实现，整个光路非常复杂，包含的器件数目较多。这对整个芯片的加工容差以及均一性都提出了挑战。由于硅光芯片采用CMOS工艺，可以保障每个器件的性能，并且器件尺寸较小，可以单片集成较多的元件。只有每个元件的性能都比较优异，才能保证整个系统可以较好地工作。这两篇工作表明了基于硅光芯片的大规模集成光路的可行性，其可以应用到其他相关方向（例如基于硅光的Lidar，光开关等）。

由于MMI的工艺容差较大，因此芯片中的分束器全部采用MMI_2x2，波导交叉器也是基于MMI。相位调制部分采用的都是热相移器，而不是基于等离子体色散效应的电相移器。不同相移器的热串扰可能是一个比较大的问题，是否可通过相移器的设计来解决这一问题？

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献

1. J. Wang, et.al., Multidimensional quantum entanglement with large-scale

integrated optics, Science 360，285(2018)

2. X. Qiang, et.al., " Large-scale silicon quantum photonics implementing arbitrary two-qubit processing", Nature Photonics 12, 534(2018)