最近几周接连有好几篇Nature子刊的论文,都是以硅光芯片为平台,实现了光量子的信息处理。借着这几篇最新进展,小豆芽整理下硅光芯片在量子光学领域的应用。
先列一下这几篇文章(前两篇文章还没有卷号):
1. Generation and sampling of quantum states of light in a silicon chip , Nature Physics 2019
2. An integrated silicon photonic chip platform for continuous-variable quantum key distribution , Nature Photonics 2019
3. Programmable four-photon graph stateson a silicon chip, Nature Communications 10, 3528(2019)
几篇文章的标题都强调了是在硅光芯片上实现。其中文献1和3都是由英国Bristol大学研究小组完成,该小组在量子硅光方向做出了很多代表性的工作。文献2由新加坡南洋理工研究组完成。
文献1在硅光芯片上实现了8光子态的产生,并进行了两种不同类型的Boson sampling的演示。所谓Boson sampling, 是用来演示量子计算的优越性,其对应的物理情境是求多个光子经过一个线性网络后光子的概率分布,这一问题可转化为求解矩阵的积和式(permutation, 区别于行列式)。这一问题如果用经典计算机求解的话,需要指数级的时间,而量子计算只需要多项式级的时间。因此该问题提出后,得到了学术界的广泛关注。Bristol大学最新的这篇进展中,其量子光源和线性网络部分都是在硅光芯片上实现,如下图所示,
(图片来自文献1)
泵浦光通过grating coupler耦入到芯片中,通过级联的MMI进行分束,等分到四条光路中。接着泵浦光在螺旋线型波导(spiral waveguide)中发生自发四波混频(spontaneous four-wave mixing,简称FWHM),转换为信号光子和闲置光子。接着通过两个级联的Mach-Zehnder干涉器,将泵浦光和闲置光过滤掉。每一路的信号光子同时输入进4*12的线性网络中进行演化,最终通过grating coupler将光子耦出芯片,被片外的单光子探测器检测到。
整个光路其实不是特别复杂,涉及到的器件也比较常见,包括grating coupler、MMI、Mach-Zehnder干涉器等。唯一不太常见的是sprial waveguide, 做成螺旋线的目的是为了在较小的尺寸范围内形成比较长的硅波导,波导越长,对应的FWHM非线性效率越高。如果需要在硅光芯片上产生量子态,而不是从片外输入,螺旋线型波导是标配。
这里略去具体的量子光学实验结果讨论,只提一点。文中产生8光子的效率不是很高,一小时只能产生四组8光子态,需要等待较长的时间才能产生新的光子态,做实验得花非常多的时间收集数据,另外这也会限制它的应用,量子计算固然加速很多,但是你得花很长时间制备出一个可用于计算的量子态。
文献2使用两块硅光芯片,实现了芯片间的连续变量量子密钥传输(量子通信)。QKD的本质是通过量子光学的方法(量子力学保证了其绝对安全性),在通信双方间分享一对随机数,用于加密信息。该进展的光路结构如下图所示,
(图片来自文献2)
由于采用的是连续变量QKD方案, 因而只需较弱的激光就可以。在发送端(Alice), 激光通过grating coupler耦合到芯片中,首先经过一个Mach-Zehnder调制器,其作用是对光强进行削弱,相当于光衰减器。其次激光经过1:99的定向耦合器,99%的光作为本地振荡光(LO),1%的光作为信号光。接着信号光经过振幅和相位调制,对应的相干态为|X_a+i P_a>。为了区分信号光和LO光,采用2维光栅耦合器,这样两者以不同的偏振态在光纤中传输。在接收端(Bob), 首先采用2维光栅耦合器,将LO光和信号光进行分离,接着对它们进行平衡零拍测量,得到正交振幅和正交相位的信息。
相比文献1,该光路中添加了Mach-Zehnder调制器和Ge探测器,并且通过外部电路控制对光场相位和振幅的调制。几个核心器件的结构如下图所示,
(图片来自文献2)
研究人员演示了2m长光纤的密钥传输,码率为0.25Mbps, 并由此估算出100km里对应的码率为0.14kbps。
文献3在硅光芯片上实现了可编程的四光子图态(graph state),其光路结构如下图所示,
(图片来自文献3)
与文献1类似,也是先通过MMI对泵浦光进行分束,等分到四条光路中。接着泵浦光在螺旋线型波导中发生非线性相互作用,产生四光子态。类似地,通过Mach-Zehnder干涉器进行滤波,将信号光与闲置光进行分离。接着通过几个Mach-Zehnder干涉器,实现不同图态的制备。最后,在每一路中对单比特进行测量。
图态(graph state)是区别于逻辑门的另外一种实现量子计算的方法,其通过制备复杂的光子态,并且对光子进行单比特测量,最终得到量子计算的结果。每个光子以一个节点表示,光子间如果存在纠缠,则两个光子通过线连接,如上图中的插图所示。图案的难点是量子态的制备,而逻辑门方案的难点是逻辑门的实现。
由于涉及到光路间的交叉,该芯片中涉及到较多的crossing结构。此外,它也通过外部电路控制Mach-Zehnder干涉器,用以实现不同的图态。
简单总结一下,
1) 光量子信息处理所涉及的硅光器件大部分都是一些常规光器件,包括MMI, grating coupler, MZI, crossing, PD,modulator等。唯一特殊的是spiral wavguide, 通过其产生多光子态。底层的积木是一样的,只是房子的架构有些差别。
2)光量子并不神秘,具体来说量子通信中可使用衰减的激光来实现弱相干态,而量子计算中需通过非线性作用产生多光子态。
3)光量子信息处理的过程主要可以分为几个步骤:a)量子态的产生, b) 量子态的演化,c)量子态的测量。其中光量子态的产生,可以在片外完成,再耦合进光芯片中,也可以在片内通过非线性产生。量子态的演化,对应Mach-Zehnder干涉器构成的线性网络。量子态的测量,涉及到测量基矢的选择(对应不同配置的MZI)。目前已经有些小组可以在片上集成单光子探测器。
4) 之所以这些工作都在硅光芯片这一平台上实现,硅光芯片的集成优势是主要原因。传统的量子光路都是由分立的光学镜片构成,光路复杂,并且容易受干扰。片上集成之后,体积缩小,抗干扰。
5) 都通过外部电路实现对量子态的动态操控。光电不分家。
希望这些工作最终能走出实验室,形成可实用化的产品,拓宽硅光的应用场景。
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