量子光源
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
量子光源的實例教程
本文由論文作者團隊（課題組）投稿
量子信息技術是目前國際競爭趨于白熱化的戰(zhàn)略技術。各個大國都在持續(xù)加碼量子技術。研究量子信息的物理體系包括超導、半導體、離子阱以及光量子。其中光量子作為信息載體（或量子比特）具有獨特的優(yōu)勢，例如更長的消相干時間、編碼信息的維度多、單比特操縱簡單、傳輸速度快等。光量子技術在量子通訊、量子計算、量子模擬和量子精密測量等領域發(fā)展迅速。
光量子技術關于光量子信號的產(chǎn)生、存儲、編碼、調(diào)制、傳輸和檢測的技術，其中首當其沖的是光量子信號的產(chǎn)生，即量子光源。量子信息的幾乎任何過程都離不開糾纏態(tài)，而糾纏態(tài)的制備是關鍵。基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程（SPDC，一種光學非線性過程）產(chǎn)生糾纏光子對，因其制備過程可控性高且糾纏純度高，是目前實驗上比較常用且成熟的方法。在SPDC過程中，單色泵浦光子因真空量子漲落在二階非線性光學晶體內(nèi)會以一定概率分裂成兩個能量較低且構(gòu)成糾纏態(tài)的光子對，分別為信號光子（signal）和閑頻光子（idler）如下圖1所示。該光子對具有時間糾纏、頻率糾纏和偏振糾纏等特性。
圖1：自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程示意圖
圖源：www.nist.gov
目前SPDC量子光源主要基于二階非線性（χ(2)）光學晶體，如β-BBO, LiNbO?等。一方面，這些晶體的非線性系數(shù)較低，因而一般需要較大體積的晶體以保證足夠長的與光作用距離；另一方面，這些晶體都是三維共價成鍵的晶體，很難集成到目前主流的CMOS兼容的光量子芯片平臺（如硅、氮化硅等）上。而對于光量子技術來說，小型化、集成化是走向?qū)嵱没谋亟?jīng)之路。
展開 (半導體產(chǎn)業(yè)網(wǎng))
2、中科院上海微系統(tǒng)所團隊實現(xiàn)基于III-V 族量子點確定性量子光源和 CMOS 兼容碳化硅的 混合集成光量子學芯片。
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所異質(zhì)集成 XOI 團 隊實現(xiàn)基于 III-V 族量子點確定性量子光源和 CMOS 兼容碳化硅的混合集成光量子學芯片。通過設計雙層垂直耦合器和 1×2多模干涉儀 (Multimode interferometer, MMI)，研究團隊實現(xiàn)了混合量子光子芯片中確定性單光子的高效路由，以及對確定性單光子二階關聯(lián)函數(shù) 的片上實驗測量。
相關研究成果于2022 年 6 月 19 日以“Hybrid integration of deterministic quantum dots-based single-photon sources with CMOS-compatible silicon carbide photonics”為題在線發(fā)表在國際著名學術期刊 Laser & Photonics Reviews 上。該工作成功地在晶圓級 4H-SiC 光子芯片上實現(xiàn) QD 確定性單光子源的混合集成，并實現(xiàn)了對確定性單光子二階關聯(lián)函數(shù)的片上實驗測量，為實現(xiàn)同時具有確定性單光子源的CMOS 兼容的快速可重構(gòu)量子光子電路提供了一種新的解決方案和研究思路。(半導體產(chǎn)業(yè)網(wǎng))
3、ASM宣布收購意大利 SiC 外延設備制造商 LPE。
7 月 18 日，ASM International N.V.(ASM)宣布達成一項協(xié)議，根據(jù)該協(xié)議，ASM 將收購位于意大利的碳 化硅(SiC)和硅外延反應器制造商 LPE S.p.A 的所有流通股。LPE 成立于 1972 年，專注于設計、制造和銷售用于電源應用的先進外延工具，是 SiC 外延領域公認的領導者，迄今已發(fā)布多項專利。
展開 圖3 高階光學微分的實驗觀測
2.超越瑞利極限：光學超分辨率
傳統(tǒng)光學成像受限于衍射極限（瑞利判據(jù)），無法分辨距離小于瑞利距離的兩個點光源。該研究利用高階微分器的濾波特性，構(gòu)建了一種新型超分辨率探測器：
原理：將兩個點光源的高階微分信號與單模光纖（僅支持基模高斯光）耦合，通過測量功率變化反推光源間距。
結(jié)果：實驗實現(xiàn)了0.015倍瑞利距離（約5 μm）的分辨能力，且三階微分比一階微分靈敏度更高（圖4）。這一精度已接近科學相機的像素尺寸（5.04*5.04 μm2），為半導體多層曝光工藝中的納米級光學對準提供了可能。
圖4 高階微分光學超分辨的實驗驗證。（a）示出了實驗裝置；（b）表示當兩個點源之間的間隔距離改變時由所提出的超分辨率檢測器收集的信號。其中的頂部插圖示出了由CCD照相機直接捕獲的兩個點源的強度分布。
應用前景：從圖像處理到納米制造
1.實時圖像處理
超表面微分器可集成于顯微鏡或攝像頭中，實現(xiàn)實時邊緣增強、相位成像，尤其在生物醫(yī)學領域，無需染色即可觀察透明樣本的相位細節(jié)（如細胞膜結(jié)構(gòu)）。
2.半導體納米制造
在芯片光刻工藝中，多層掩模的對準精度直接決定電路性能。傳統(tǒng)光學對準受限于衍射極限，而基于超表面的超分辨率探測器可將對準精度提升至亞微米級（圖5）。研究團隊甚至演示了200納米的位移檢測，未來通過優(yōu)化激光穩(wěn)定性與機械控制，有望進一步突破至納米尺度。
圖5 亞微米尺度光學超分辨的實驗驗證
3.量子成像與通信
PB超表面的偏振依賴性使其可與量子光源結(jié)合，用于量子圖像處理或高維光場調(diào)控，為量子通信和加密技術提供新思路。
未來展望
盡管該研究已取得顯著成果，仍有一些挑戰(zhàn)：
工作波段擴展：當前實驗基于單一波長（如He-Ne激光），需驗證寬帶性能。
展開 量子行走具有天然的疊加態(tài)特性，在面對分叉選擇的時候，不是選擇左或者右，而是可以選擇左和右的疊加態(tài)，使得量子行走在粘合樹結(jié)構(gòu)上可以輕松“快速到達”，對優(yōu)化、搜索等實際問題都有潛在的廣泛應用前景。只是，常規(guī)的二叉粘合樹的節(jié)點數(shù)目隨著層數(shù)增加呈指數(shù)級增加，會迅速耗盡幾何上的制備空間，因此是不可擴展的。
圖一：粘合樹結(jié)構(gòu)示意圖
今年5月，金賢敏團隊在美國《科學》雜志子刊Science Advances上發(fā)表了世界最大規(guī)模的光量子計算集成芯片，并演示了首個真正空間上的二維量子行走[Science Advances 4, eaat3174 (2018)]。這項工作通過增加量子演化維度和系統(tǒng)尺度的方式來提升量子態(tài)空間的尺度，提供了一種可行的非常有前景的量子計算和處理資源。在此基礎上，金賢敏團隊提出了一種具有充分可擴展性的六方粘合樹結(jié)構(gòu)，并通過飛秒激光直寫技術成功映射到三維光量子集成芯片中。這種六方粘合二叉樹結(jié)構(gòu)，即使層數(shù)很大，都可以在芯片中很好地用三維波導來實現(xiàn)。
實驗中首先根據(jù)理論預測的量子動態(tài)演化過程中最大的到達概率以及對應的最優(yōu)演化長度，通過飛秒激光直寫技術制備最優(yōu)演化長度附近的若干組芯片樣品。然后通過激光注入、CCD成像觀測芯片輸出的光強概率分布，確定不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)演化長度。注入單光子量子光源，用高精度單光子成像觀測在最優(yōu)“快速到達”情形下的演化圖形。圖二展示了量子算法可實現(xiàn)約90%的最優(yōu)到達效率，最優(yōu)演化長度約為25mm。而經(jīng)典算法只能緩慢地達到最優(yōu)演化情形，且最優(yōu)到達效率只有6.25%，比量子行走小了一個多數(shù)量級。這是經(jīng)典隨機行走的擴散傳輸本質(zhì)導致的，出口節(jié)點達到的最優(yōu)到達效率相當于1除以所有節(jié)點的數(shù)目。量子行走在復雜分叉結(jié)構(gòu)時可以選擇左和右的疊加態(tài)，從而在最優(yōu)到達效率和最優(yōu)演化長度都實現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。
展開 采用偶極子光源充當量子點。我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優(yōu)良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數(shù)、圓氣孔半徑等參數(shù)進行優(yōu)化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉(zhuǎn)無序程度來實現(xiàn)更強的光場局域特性。
圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導模型
對于五邊形旋轉(zhuǎn)度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉(zhuǎn)角度，橫坐標為不同的旋轉(zhuǎn)角度，縱坐標為不同旋轉(zhuǎn)角度對應取的五邊形數(shù)量，無序光子晶體波導見建模如圖2(b)所示。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優(yōu)化，隨后與優(yōu)化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優(yōu)異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結(jié)果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
圖3 五邊形氣孔的優(yōu)化結(jié)果
圖4展示了優(yōu)化后的有光子晶體波導的能量傳輸圖，可以發(fā)現(xiàn)其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優(yōu)化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優(yōu)化后的Pyz
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未來展望
盡管該研究已取得顯著成果，仍有一些挑戰(zhàn)：
工作波段擴展：當前實驗基于單一波長（如He-Ne激光），需驗證寬帶性能。
采用偶極子光源充當量子點。我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優(yōu)良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數(shù)、圓氣孔半徑等參數(shù)進行優(yōu)化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉(zhuǎn)無序程度來實現(xiàn)更強的光場局域特性。
基于較強且隨層數(shù)可擴展的光學非線性，作者首次構(gòu)建了基于vdW材料的SPDC量子光源，并且在厚度薄至約46 nm的納米片中也觀察到明確的SPDC過程，為目前已報道的最薄的非線性量子光源。該工作為開發(fā)基于vdW材料的超緊湊的片上糾纏光源、經(jīng)典和量子光學高性能調(diào)制器等開辟了一條全新的道路。
(半導體產(chǎn)業(yè)網(wǎng))
2、中科院上海微系統(tǒng)所團隊實現(xiàn)基于III-V 族量子點確定性量子光源和 CMOS 兼容碳化硅的 混合集成光量子學芯片。
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所異質(zhì)集成 XOI 團 隊實現(xiàn)基于 III-V 族量子點確定性量子光源和 CMOS 兼容碳化硅的混合集成光量子學芯片。
注入單光子量子光源，用高精度單光子成像觀測在最優(yōu)“快速到達”情形下的演化圖形。圖二展示了量子算法可實現(xiàn)約90%的最優(yōu)到達效率，最優(yōu)演化長度約為25mm。而經(jīng)典算法只能緩慢地達到最優(yōu)演化情形，且最優(yōu)到達效率只有6.25%，比量子行走小了一個多數(shù)量級。這是經(jīng)典隨機行走的擴散傳輸本質(zhì)導致的，出口節(jié)點達到的最優(yōu)到達效率相當于1除以所有節(jié)點的數(shù)目。
