光电量子器件研究进展综述

导读

量子信息科学开启了超越经典物理极限的契机，从而产生了量子计算、量子通信与量子精密测量等前沿技术领域。其中，量子计算技术可以使计算机的运算速度相较于经典计算机呈指数级加速，量子通信技术保证了通信的高度甚至绝对安全，而量子精密测量技术可以极大地优化许多器件或设备的灵敏度与分辨率。这些潜在的先进特征将推动量子信息技术在各个领域的创新发展，而发展的大方向是将量子计算、量子通信和量子精密测量等系统连成一体，即构建量子信息系统和量子网络，使量子科技在下一代信息技术领域占据主导地位。

要实现实用化的量子信息系统和量子网络，首先必须开发高性能的基础器件。在各种类型的量子器件中，光电器件在量子信息技术发展中发挥着关键和核心作用。先进的微电子、光学和光电子平台能够制造大多数量子信息处理系统的基础器件。光电技术无疑在过去的十数年为量子科技的发展提供了有力的支撑，将来还有可能在量子信息领域构建完整的产品链。

研究背景

目前，相当多的光电材料如非线性光学晶体、半导体、量子点、光子晶体、金刚石、二维材料、钙钛矿、超材料等，已被用于各种量子器件，如量子计算逻辑门、量子光源、单光子探测器、量子存储器、量子信道、量子传感器等的设计和制备。作者团队也正是以各种光电材料为平台，在量子器件领域进行了一系列探索、研究和开发。毫无疑问，量子信息科技的实用化仍然有赖于各类量子器件的进 一步发展，例如需要大幅改善光电过程的相干性、增强量子芯片的鲁棒性、提高量子信息网络的可扩展性等。为了更好地面对新的挑战，文章综述了作者团队以往的工作，总结研究经验，积累技术储备。

主要内容

单光子源是量子通信中的基本器件，并且在量子测量和量子计算中也有很好的应用。在这个方向上，文章综述了作者团队在量子点单光子源、宣布式单光子源和量子随机数发生器等方面的研究工作。包括由亚微米尺度的InP、空气隙和InGaAsP材料组成的纳米柱腔单光子源（如图1所示），通过结合空气隙和渐变DBR结构，在1.55 μm波段实现104-105的高品质因子和GHz级比特率的高全同单光子产生，从而证明该纳米腔具有作为光纤量子通信用高效量子点单光子源的潜力。

图1 (a) InGaAsP/InP-airgap纳米柱腔的三维视图；(b)计算得到的不同条件下的光学模式谱与光学能带结构

量子纠缠光源是量子信息系统中的核心关键器件，作者团队近年针对量子纠缠光源的性能优化、集成化以及应用等进行了多方面的研究。包括基于级联二阶非线性过程的量子纠缠光源等，如图2所示，在单块周期极化铌酸锂（PPLN）波导中通过二次谐波产生与自发参量下转换产生通信波段纠缠光子，同时制备了能量-时间、频率片、时间片等多个自由度的纠缠光子，这一优化方案为量子信息处理提供了一种多自由度高性能的纠缠光子源，可以应对不同应用场景。

图2 实现不同自由度纠缠的实验装置 (a) 关联光子对产生光路；(b) 关联光子对表征光路；(c) 能量-时间和时间片纠缠光子对表征光路；(d) 能量-时间纠缠光子对的相干操纵光路；(e) 频率片纠缠光子对的产生和表征光路

单光子探测器作为量子计算的读出机构、量子通信的信号接收器和量子精密测量的光子分析设备，在量子信息处理领域不可或缺。文章重点综述了作者团队对单元/焦平面雪崩单光子探测器和负反馈雪崩单光子探测器的研究工作，并介绍了单光子探测器在光纤传感系统中的相关应用研究。包括通过优化单光子雪崩探测器（SPAD）读出电路（ROIC）设计，提出的一种高速光子计数方法，如图3所示。该读出电路采用主动淬灭和复位集成电路（AQR-IC）驱动InGaAs-SPAD，雪崩电压信号发送到FPGA系统以计算计数率，死时间也由FPGA调整，提高了雪崩单光子探测的灵活性。

图3 SPAD高速读出电路的 (a) AQR-IC芯片；(b) PCB光子计数系统

量子器件是一个广阔的研究领域，除了上述器件外，文章还综述了作者团队在量子存储器、光机械量子器件和纳米光机电系统(NEMS)等方面进行的研究和探索。包括基于掺铒光纤的固态量子存储器，使用原子频率梳量子存储协议，实现了光通信波段光子的高带宽和多路量子存储，如图4所示，为基于多路复用和宽带固态量子存储器的量子网络的实现奠定了技术基础。

图4 量子存储器实验装置

结论

为了在未来实现量子信息技术的大规模应用，作者团队近年来研究探索了多种光电量子器件。作为光纤量子通信系统信号光源的解决方案，设计了几种微纳柱型腔-量子点单光子源；运用光谱复用技术，实现了高纯度、高产率的宣布式单光子源；基于商用GaN材料缺陷的单光子特性，构建了室温工作的量子随机数发生器。在PPLN单波导中应用级联二阶非线性光学过程，开发了一种量子纠缠光源，保真度为97%，噪声抑制水平提高近10倍；微纳加工制备Si3N4微环腔结构，实现了可见度超过99%的芯片集成式量子纠缠光源。发展雪崩半导体器件工程技术，优化读出电路设计，研制了128×32及以上规模的SPAD焦平面组件，并用于量子探测实验。制备低温下可同时存储1650个单光子的光纤量子存储器；探索研究了有望用于量子探测/传感的光机械器件设计和NEMS器件制备方法。作者团队面向各类量子光电器件的研究成果，是迈向量子科技实用化的一步，为未来构建量子信息网络提供了技术支撑。

审核编辑：刘清