【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)在低溫光量子芯片方面取得重要進(jìn)展。面向集成光量子計(jì)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(cè)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(guó)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(hào)高保真讀出、跨平臺(tái)量子系統(tǒng)互連等，在量子計(jì)算和經(jīng)典高性能計(jì)算融合發(fā)展的趨勢(shì)下愈發(fā)關(guān)鍵。超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)憑借近理想探測(cè)效率、納秒級(jí)響應(yīng)速度及極低暗計(jì)數(shù)率，已成為構(gòu)建光量子技術(shù)體系的關(guān)鍵組件。實(shí)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(shí)顯著增強(qiáng)量子操作保真度與可擴(kuò)展性。微環(huán)諧振器等片上量子光源通常需要使用毫瓦級(jí)泵浦光激發(fā)，導(dǎo)致單光子信號(hào)易受泵浦噪聲淹沒(méi)。因此，協(xié)同實(shí)現(xiàn)高抑制比泵浦濾波和單光子探測(cè)是進(jìn)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(tuán)隊(duì)提出了硅基無(wú)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(cuò)布拉格光柵結(jié)構(gòu)作為無(wú)源泵浦濾波器，兼容低溫工作環(huán)境的同時(shí)對(duì)SNSPD制備過(guò)程中引入的額外工藝步驟容忍度大，適合進(jìn)行級(jí)聯(lián)以獲得高抑制比。實(shí)驗(yàn)測(cè)得片上SNSPD在1550 nm波段實(shí)現(xiàn)飽和探測(cè)，系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)到20.1 %(片上量子效率約90%)，低溫片上泵浦濾波抑制比超過(guò)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(yàn)證該芯片的能量-時(shí)間糾纏接收功能，研究團(tuán)隊(duì)將微環(huán)中自發(fā)四波混頻產(chǎn)生的能量-時(shí)間糾纏光子對(duì)經(jīng)過(guò)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(cè)量基下測(cè)得Franson雙光子干涉原始可見(jiàn)度分別達(dá)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(lái)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(shí)驗(yàn)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(yùn)，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(duì)本工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目 (2023ZD0300100)、上海市量子重大專(zhuān)項(xiàng) (2019SHZDZX01)、國(guó)家自然科學(xué)基金(61971408, 12033007, 92365210, U24A20320)以及中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(2020241, 2021230)的資助。