大规模异质集成光量子芯片研究取得进展

光量子芯片是推动光量子信息技术走向实用化的必然趋势。当前，主流光量子芯片大多依赖基于非线性光学过程的概率性光源产生单光子信号，但光子发射具有“几率”特性，导致发射效率低、多光子量子比特制备困难。相比之下，固态原子具有类原子的二能级结构，可实现确定性、高效率的单光子发射，是实现片上多光子量子比特制备的理想光源。然而，固态量子光源面临频率非均匀展宽与缺乏高效混合集成技术等瓶颈，限制了其在大规模片上集成与量子网络互联中的应用。

针对上述问题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合中山大学、中国科学技术大学，实现了基于固态原子（半导体量子点）确定性单光子源与低损耗铌酸锂薄膜的混合集成光量子芯片，提出了基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的片上局域应力调控技术，并进一步实现了量子点单光子源宽范围、高动态、可逆的光谱精细调谐。同时，研究团队发展出基于“微转印”工艺的百纳米精度混合集成技术，实现多达20个确定性量子点单光子源的同步片上集成与光谱调谐。通过材料功能创新与混合芯片架构突破，研究团队在混合集成光量子芯片上，实现了空间分离的量子点单光子源之间的片上量子干涉互联，为构建可扩展的片上量子网络奠定了基础。

团队结合自组装量子点与铌酸锂这两种在光学研究领域中具有优势的量子材料，针对光量子芯片中多光子态扩展化制备这一长期存在的难题，创新“微转印”混合芯片集成工艺，实现20个量子确定性量子光源与低损耗铌酸锂光子芯片的混合集成，构建了目前国际上基于量子点确定性光源的最大规模混合集成光量子芯片。同时，针对量子点、金刚石色心等片上固态量子体系固有的非均匀展宽问题，团队提出基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的新型直流电压驱动局域应力调控技术，实现了芯片集成、宽域调谐、4K低温兼容、超低功耗（mW量级）、可逆调控五个关键特性集成。这一方法拓展了铌酸锂材料除电光调制和声表面波之外，片上量子调控这一新功能维度，为钛酸钡、钛酸锶等其他新兴铁电薄膜材料在片上量子调控应用提供了关键技术指导。

该研究结合自组装量子点与铌酸锂两种量子材料，为扩展化光量子芯片发展提供了新的技术路线。同时，该量子点单光子源的片上集成密度达67 个/mm，厘米级芯片可容纳1000+量子通道，且单通道量子点单光子源局域应力调控仅需微瓦功率损耗，相比硅光子芯片中毫瓦功耗的热光调控，降低了三个数量级，其低温兼容性和微瓦级功耗，可实现超导纳米线单光子探测器的同时芯片集成。未来，团队将进一步利用铌酸锂材料的高速电光效应，以实现片上光子的高速路由与纠缠分发，为实现容错线性光量子计算与可扩展量子互联网提供新的技术方案。

近日，相关研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院等的支持。

论文链接

大规模半导体量子点—铌酸锂薄膜混合集成光量子芯片

波导取向相关的量子点局域应力调控范围统计