上海微系統所在大規模異質集成光量子芯片方面取得進展

　　【儀表網 研發快訊】研究背景：與傳統微電子芯片的發展路徑類似，光量子芯片的出現是推動光量子信息技術走向實用化的必然趨勢。當前主流光量子芯片主要依賴基于非線性光學過程的概率性光源產生單光子信號，因光子發射具有“幾率”特性，導致發射效率低、多光子量子比特制備困難。相比之下，固態原子(如自組裝量子點、金剛石色心等)具有類原子的二能級結構，可實現確定性、高效率的單光子發射，是實現片上多光子量子比特制備的理想光源。然而，固態量子光源仍面臨頻率非均勻展寬與缺乏高效混合集成技術等關鍵瓶頸，嚴重限制了其在大規模片上集成與量子網絡互聯中的應用，成為光量子芯片實用化進程中的核心挑戰。
 

　　針對上述問題，中國科學院上海微系統與信息技術研究所張加祥研究員、歐欣研究員聯合中山大學劉進教授、中國科學技術大學霍永恒教授團隊在 Nature Materials發表了題為 “Large-scale quantum-dot–lithium-niobate hybrid integrated photonic circuits enabling on-chip quantum networking” 的最新研究成果。該團隊創新性地實現了基于固態原子(半導體量子點)確定性單光子源與低損耗鈮酸鋰薄膜的混合集成光量子芯片，并提出基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的片上局域應力調控技術，實現了量子點單光子源寬范圍、高動態、可逆的光譜精細調諧。同時，團隊發展出基于“微轉印”工藝的百納米精度混合集成技術，實現了多達20個確定性量子點單光子源的同步片上集成與光譜調諧。通過材料功能創新與混合芯片架構突破，研究團隊首次在混合集成光量子芯片上實現了空間分離的量子點單光子源之間的片上量子干涉互聯，為構建可擴展的片上量子網絡奠定了重要基礎。
 

大規模半導體量子點-鈮酸鋰薄膜混合集成光量子芯片
 

　　研究亮點
 

　　1.結合自組裝量子點與鈮酸鋰這兩種在光學研究領域中具有巨大優勢的量子材料，針對光量子芯片中多光子態擴展化制備這一長期存在的難題，創新“微轉印”混合芯片集成工藝，實現20個量子確定性量子光源與低損耗鈮酸鋰光子芯片的混合集成，構建了目前國際上基于量子點確定性光源的最大規模混合集成光量子芯片；
 

　　2.針對片上固態量子體系(如量子點、金剛石色心等)固有的非均勻展寬問題，提出基于鈮酸鋰薄膜鐵電疇工程的新型直流電壓驅動局域應力調控技術，實現五個關鍵特性集成：芯片集成、寬域調諧、4K低溫兼容、超低功耗(mW量級)以及可逆調控，這一方法不僅拓展了鈮酸鋰材料除電光調制和聲表面波之外片上量子調控這一新功能維度，為其它新興鐵電薄膜材料，如鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶(STO)等在片上量子調控應用提供關鍵技術指導。
 

　　關鍵突破點
 

　　(1)提出鈮酸鋰薄膜上應力調控新機制，實現片上應力動態調控量子點確定性單光子源，光譜調諧范圍達到7.7 meV，超過量子點單光子變換極限線寬三個數量級；
 

　　(2)發展出百納米級精度的“微轉印”混合集成工藝，實現多達20個量子點確定性單光子源的片上同時集成和光譜調諧，基于該平臺，實現片上不同量子點單光子源的量子干涉互聯，片上互聯距離0.48 mm，干涉可見度73%；
 

　　(3)基于鈮酸鋰鐵電疇工程的片上應力調控技術具有4K低溫兼容、應力輸出溫度不敏感、空間局域和超低功耗輸出等優異特性，支持千量級量子點光源的同時芯片集成，為片上擴展化多光子資源制備提供重要技術路線。
 

　　圖文解讀
 

　　圖1：(a)大規模半導體量子點-鈮酸鋰薄膜混合集成光量子芯片。(b)具有局域應力調控功能的混合量子點-鈮酸鋰集成波導。(c)低溫下X-切鈮酸鋰薄膜直流驅動鐵電疇工程實現片上局域應力。(d)鈮酸鋰薄膜上各項異性局域應力。
 

　　圖2：(a)不同取向的量子點砷化鎵-鈮酸鋰混合集成波導，單光子信號可通過波導頂部或光柵耦合器輸出。(b，c)不同波導取向的片上應力調控。(d)取向角度相關應力張量分布的數值仿真。(e，f)波導取向相關的量子點能帶調諧數值仿真。
 

　　圖3：波導取向相關的量子點局域應力調控范圍統計，其中(a)為有二氧化硅絕緣層支撐的量子點/鈮酸鋰混合波導(b)為無二氧化硅絕緣層支撐的量子點/鈮酸鋰混合波導。(c)最優化角度(88o)處波導耦合量子點的可逆和大光譜范圍調諧結果，調諧范圍(d)7.7 meV。(e)局域應力調控量子點時單光子熒光線寬變化。
 

　　圖4：(a)含20通道量子點確定性單光子源的鈮酸鋰混合集成光量子芯片。(b, c)量子點-鈮酸鋰混合集成波導掃描電子顯微鏡照片。(d)片上20通道量子點確定性光源的同時局域光譜調諧，局域調諧范圍0.76 meV/400V, 紅色區域為20通道量子光源調諧后的‘同頻’區域。(e, f, g)通道5和6中兩個不同頻量子點的同時局域調控。(h，i)片上兩個波導耦合量子點的雙光子共振測試。
 

　　未來展望
 

　　該工作結合自組裝量子點與鈮酸鋰這兩種在光學研究領域中具有巨大優勢的量子材料，為擴展化光量子芯片的發展提供了新的技術路線。同時，平臺具有進一步擴展潛力，當前量子點單光子源的片上集成密度可達 67 個/mm, 因此厘米級芯片可容納 1000+量子通道。此外，單通道量子點單光子源局域應力調控僅需要微瓦功率損耗，相比硅光子芯片中毫瓦功耗的熱光調控降低了三個數量級，其低溫兼容性和微瓦級功耗，可實現超導納米線單光子探測器的同時芯片集成。研究團隊還表示，未來還可進一步利用鈮酸鋰材料的高速電光效應，實現片上光子的高速路由與糾纏分發，這一成果為實現容錯線性光量子計算與可擴展量子互聯網提供了全新技術方案。
 

　　論文第一作者為上海微系統所博士王旭東，通訊作者為中國科學技術大學霍永恒教授、中山大學劉進教授、上海微系統所歐欣與張加祥研究員。該研究工作得到了國家重點研發計劃(2022YFA1404604)國家自然科學基金(12074400, 62474168, 62293521, 62474168)和中國科學院青年團隊穩定支持(YSBR-112)等項目的支持。