来自德国汉诺威莱布尼兹大学、荷兰特文特大学和创业公司QuiX Quantum的国际研究团队首次提出并演示了一个完全集成在芯片上的纠缠量子光源。该研究结果于4月17日发表在《自然·光子学》杂志上。
在量子网络中，量子光源用于产生光量子比特。近年来，集成光子学已成为一个重要的平台，用于实现和处理紧凑、可扩展的芯片形式的光学纠缠量子态，并应用于远距离量子安全通信、量子信息处理和量子精密测量。然而，迄今为止开发的量子光源都依赖于外部笨重的激光器，实用性较低，可扩展性较差。为了解决这一缺点，实现完全集成的纠缠量子光源可以使量子信息处理的所有阶段都集成在一个芯片上。然而，实用量子光源系统的制造主要面临的技术难点是如何将一个稳定、可调谐的滤波激光器与一个非线性参量纠缠光子源结合起来。
该研究团队通过整合激光腔、一个利用游标效应（Vernier effect）的高效可调谐噪声抑制滤波器（>55dB），以及通过自发四波混频产生纠缠光子对的非线性微镜，实现了完全集成的量子光源。这项工作的关键是采用了将磷化铟激光器、一个过滤器和氮化硅谐振腔体集成到一块芯片上的“混合技术”。利用该芯片，研究团队实现了电信波段上四个谐振模式上的成对发射（带宽约1 THz），以及在高符合-偶然比为80的情况下，成对探测率为~620 Hz的高性能结果，其效率和量子态质量均有望应用于量子计算或量子互联网中。
“现在，我们可以将激光器与芯片上的其他部件整合在一起，这样整个量子光源就比一个一欧元的硬币还要小，”该工作通讯作者Raktim Haldar提到。“我们的微小装置可以被认为是在芯片上用光子实现量子优势的一个步骤。与像谷歌采用的低温系统超冷量子比特不同，即使在室温下这种基于芯片的光子系统仍可实现量子优势。”除此之外，科学家们还期望他们的成果能有助于降低应用的生产成本，比如将这种量子光源作为可编程光量子处理器的一个基本组成部分。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01193-1
报道链接：
https://phys.org/news/2023-04-quantum-source-fully-on-chip-scalability.html
图1 可产生纠缠光子对的量子光源芯片示意图。
图2 量子光源芯片实图。
图3 该工作主要参与者。左：汉诺威莱布尼兹大学光子学研究所所长兼PhoenixD卓越集群董事会成员Michael Kues教授；中：博士生Hatam Mahmudlu；右：洪堡大学研究员Raktim Haldar博士。