IF50.5｜可制造的硅光量子计算平台

首个在300mm晶圆上集成光子源、探测器和量子基准电路的可制造光量子计算平台。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

光子因其低噪声、易操作和易联网的特性，在量子计算领域具有巨大潜力。然而，实现有用的光量子计算需要数百万个高性能组件，且其性能需超越现有集成光子学的水平，包括高效率单光子探测器等非标准器件。此前，光量子计算平台依赖片外光源或片外探测器，难以实现实用化所需的集成度和性能。

科学问题

卡在哪里： 现有光量子计算平台无法在单片上同时集成高性能单光子源、低损耗波导、高效率超导单光子探测器及快速光开关，且组件性能未达到容错量子计算的要求，如波导损耗、探测器效率、光源纯度等指标均存在差距。

本文要回答： 本文旨在构建一个基于300mm硅光工艺的可制造光量子计算平台，实现光子量子比特的片上生成、操控、探测和网络化，并验证其关键性能指标。

技术路线

作者主要用了：硅光集成、自发四波混频、超导纳米线单光子探测器、量子基准电路。

作者在GlobalFoundries的300mm硅光代工线上开发了定制工艺，集成无源波导、NbN超导探测器、金属屏蔽层和热光移相器。利用该平台构建了自发四波混频光子对源、滤波网络和马赫-曾德尔干涉仪，实现了片上量子态的制备与测量。通过设计多种量子基准电路，分别测试了单量子比特SPAM、双光子HOM干涉、双量子比特融合以及芯片间量子比特互联等关键功能。

图 1　Fig. 1。图1展示了平台的关键组件和工艺模块，包括300mm晶圆上的光子源、超导探测器和量子基准电路，以及低温封装组件。右侧列出了下一代平台的进一步工艺步骤。图中还展示了光子源、波导、深/浅沟槽等结构的显微图像。

核心亮点

亮点 1｜片上集成量子光源与探测器

首次在单片上集成自发四波混频光子对源、滤波网络和超导纳米线单光子探测器，实现了全集成预示单光子源。滤波网络提供99.1±1.2 dB的泵浦抑制，金属屏蔽层进一步抑制散射光，使符合计数与偶然符合比达到3000。探测器在2K温度下工作，筛选后中位片上探测效率为93.4%。

图 2　Fig. 2。图2展示了光子源、滤波网络、干涉仪和探测器的示意图。实测干涉耦合谐振腔源的联合光谱强度显示光谱纯度为99.5%。泵浦滤波网络响应显示信号和预示频带的滤波曲线。片上SNSPD表征的马赫-曾德尔干涉仪响应显示消光比>50 dB。

亮点 2｜高保真单量子比特操作

利用热光移相器制备路径编码量子比特，通过片上干涉仪和SNSPD进行测量，在光子探测条件下实现99.98%±0.01%的平均SPAM保真度。使用相干光测试的等效电路保真度达99.996%±0.003%，表明SPAM保真度主要受限于光源的信噪比。

图 3　Fig. 3。图3展示了四种量子基准电路：SPAM、点对点量子比特网络、HOM干涉和双量子比特融合。SPAM保真度达99.98%，HOM干涉可见度99.50%，芯片间量子比特互联的Pauli转移矩阵保真度99.72%，融合后重构的双量子比特密度矩阵保真度99.22%。

亮点 3｜高可见度双光子量子干涉

在片上集成两个独立光子源，通过滤波网络和探测器实现HOM干涉，测得可见度为99.50%±0.25%，为所有平台中最高。实验在125MHz泵浦重复率下进行，符合计数与偶然符合比为929±4，预示g(2)(0)=0.00358±0.00024，最大Klyshko效率约26%。

图 4　Fig. 4。图4展示了级联谐振腔源的结构和性能。24谐振器件的联合光谱强度显示纯度上界99.35%。两个源在不同谐振波长偏移下的不可区分度测量显示在±400pm范围内保持>99%。SiN波导耦合的PNRD结构图及效率统计显示中位效率98.9%，可分辨0-4光子。

亮点 4｜高保真双量子比特融合

利用II型融合测量实现贝尔态投影，两个独立路径编码量子比特制备在|+−⟩态，通过可重构融合网络和单量子比特测量，在每对探测器各检测到一个光子的条件下，测得与理想贝尔态的保真度为99.22%±0.12%。

图 5　Fig. 5。图5展示了SiN基组件的损耗测量结果。波导损耗单模1.8±0.2 dB/m，多模0.5±0.3 dB/m。分束器和交叉损耗分别为0.5±0.2 mdB和1.2±0.4 mdB。光纤到芯片耦合损耗最低52±12 mdB。自由空间电光测量显示BTO薄膜Pockels系数>1000 pm/V。

亮点 5｜芯片间量子比特互联

通过二维光栅耦合器实现路径到偏振的转换，将量子比特经42m标准通信光纤传输后，在接收模块转换回路径编码并测量。在光子到达条件下，物理信道与单位操作的Pauli转移矩阵保真度为99.72%±0.04%。

亮点 6｜下一代组件性能预览

展示了低损耗SiN波导（单模损耗1.8±0.2 dB/m，多模0.5±0.3 dB/m）、低损耗分束器（0.5±0.2 mdB）和交叉（1.2±0.4 mdB）、低损耗光纤耦合（UHNA4光纤52±12 mdB）、高纯度级联谐振腔源（纯度99.35%，±400pm波长偏移下不可区分度>99%）、高效率光子数分辨探测器（中位效率98.9%，可分辨0-4光子）以及BTO电光移相器（αVπL=0.33±0.02 dB.V）。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 硅光集成、自发四波混频、超导纳米线单光子探测器、量子基准电路
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事集成光量子计算、硅光器件或量子信息实验的研究人员。

带走一句

该平台展示了在工业硅光代工线上集成量子光子器件的可行性，为光量子计算的规模化制造提供了基准和路线图。