硅基集成光量子芯片技术
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| 作者：强晓刚 † 黄杰 王洋 宋海菁
(军事科学院国防科技创新研究院)
本文选自《物理》2023年第8期
摘要 光量子芯片技术采用传统半导体微纳加工工艺，可在单个芯片上集成大量光量子器件，实现量子信息处理应用，具有高集成度、高精确度、高稳定性等优势。基于硅基集成光学技术的硅基光量子芯片，得益于其CMOS可兼容、非线性效应强、超高集成度等特点，在未来实现可实用化大规模光量子计算与信息处理应用方面展示出巨大潜力。文章对硅基集成光量子芯片技术进行介绍，包括硅基集成光学基础器件，硅基光量子芯片上光子的产生、操控和探测等技术，以及面向量子计算及量子信息处理应用方面大规模硅基光量子芯片技术的近期进展，并对面临的技术挑战与发展方向进行展望。
关键词 硅光量子芯片，集成量子光学，量子信息，量子计算
量子信息技术是遵循量子力学规律调控量子信息单元进行信息的编码、存储、传输、处理等的新型信息技术。利用量子叠加、干涉以及纠缠等量子物理特性，量子信息技术展示出超越经典信息技术的巨大应用潜力，例如量子计算具有天然的并行性及超大的信息存储能力，在大数质因子分解、数据库搜索、生物化学模拟等应用中可实现超越经典的计算加速。线性光学量子系统是实现量子计算等量子信息应用的主要物理途径之一，它的主要特点包括：光子具有很长的相干时间，不容易受到外界环境干扰而退相干；光子操控相对容易，利用线性光学元件可以实现对单光子的高精度操控；光子的多自由度可以用于编码高维度量子信息；能够在室温下工作等。基于线性光学量子系统，将单光子作为量子信息单元的载体，可以实现量子态的编码、操控、传输以及探测，进而实现不同的复杂量子计算与量子信息处理应用。
传统上线性光学量子系统大都为分立元件系统，即在光学平台上使用分立的体块线性光学元件组合搭建形成，通过波片、透镜、反射镜等光学元件实现对光子的操控。分立元件量子光学系统不仅体积巨大，而且各个分立元件容易受到外界环境中温度变化、机械振动等诸多因素的影响，系统的稳定性及可扩展性都受到很大的制约。集成光量子芯片技术就是为了克服分立元件量子光学系统的这些不足所提出来的，2008年英国布里斯托大学研究团队首次实验演示了集成光量子芯片技术 [1] 。借助于传统半导体微纳加工工艺，集成光量子芯片技术可将光学元件以薄膜形式集成到单个芯片上，不仅实现了线性光学量子系统的集成化，而且具有更高的精确度、更高的稳定性及更好的可扩展性，同时未来批量化生产也将使成本大大降低。因此，集成光量子芯片技术为实现未来实用化大规模、集成化的光量子计算与光量子信息处理应用提供了非常可行的技术途径。
集成光量子芯片的常用材料体系包括硅、氮化硅、二氧化硅、铌酸锂薄膜等多种材料体系。基于硅基材料体系，特别是绝缘体上硅(siliconon-insulator，SOI)材料的集成光量子芯片技术，得益于其CMOS工艺可兼容、非线性效应强、集成密度高、可大规模生产等优势，近年来发展非常迅速，备受瞩目。面向未来大规模光量子计算与量子信息处理应用，硅基集成光量子芯片技术在器件集成规模、量子计算应用实现等方面取得了一系列进展，展示出巨大的发展潜力。目前整体上硅基光量子芯片已广泛采用130 nm或更先进的工艺节点进行芯片加工。一系列器件数目达到数百乃至千级的大规模可编程硅基光量子芯片 [2—5] ，以及以芯片为核心实现的软硬件一体原型系统样机 [6] 被研制出来，基于这些芯片或系统已经进行了丰富的量子计算与量子信息处理应用的实验验证。此外，硅基集成光学技术在光通信、光计算等经典信息领域也具有广泛的应用，这些需求共同推动了当前硅基集成光学技术的快速发展。
与分立元件线性光学系统是由波片、分束器、透镜、反射镜等各种基础元件组合而成一样，一个复杂的光量子芯片也包含不同种类的集成化光学器件。硅材料具有很强的三阶非线性效应和紧致模式约束特性，利用半导体微纳加工工艺，可以实现高密度片上集成的光量子芯片基础器件，如光波导、光分束器、光耦合器、光调制器等，如图1所示。
图1 硅基集成光学基础器件 (a)条型光波导；(b)脊型光波导；(c)1×2光分束器；(d)阵列波导光栅波分复用器；(e)端面耦合器；(f)光栅耦合器；(g)电光效应调制器；(h)热光效应调制器
光量子芯片上最基础的器件是光波导，通过它来连接片上集成的其他光学器件，光波导性能直接决定光信号的传输质量。常用的光波导有条型波导、脊型波导，其中条型波导结构简单紧凑，极限弯曲半径较小，主要用于一般的无源光器件(图1(a))；脊型波导具有较大的横向尺寸，能够以较低的耦合损耗与单模光纤进行端面耦合，被广泛使用在有源光器件中(图1(b))。目前，国内外主要半导体代工厂发布的硅光工艺设计工具包(process design kit，PDK)中条形光波导的损耗约为1.5 dB/cm，随着硅光微纳加工技术的进步，光波导加工精度和损耗水平还在不断提升。Cardenas等人采用选择性氧化技术制备了侧壁宽度变化仅为0.3 nm的超光滑光波导 [7] ，该波导在1.55 μm波长处的传输损耗低至0.3 dB/cm，验证了SOI材料平台实现极低损耗光波导的可能性。
光或光子在芯片光波导中传输时，通过光分束器件实现光能量、波长、偏振等的路由、分束及合束功能。常用的光分束器结构包括多模干涉耦合器(multimode interferometer，MMI)、定向耦合器或Y分支结构等。MMI结构由于具有带宽大和稳定性好等优势，目前应用最为广泛。Sheng等人在2012年设计实现的1×2 MMI光能量分束器，其损耗约为0.06 dB(图1(c)) [8] 。Yao等人在2021年采用粒子群算法对多通道MMI光能量分束器的输入输出波导结构进行了优化 [9] ，获得了良好的均匀性和较低的损耗，实验测试结果表明，1×8光能量分束器在超过100 nm带宽范围内，一致性为0.19—0.83 dB。基于光分束器的集成光量子芯片波分复用器 [10] 和偏振控制器 [11] 也被广泛研究(图1(d))，可分别用于实现光子波长、偏振等自由度的操控。例如，Ding等人在2013年设计了基于渐变波导和MMI结构的偏振分束旋转器 [11] ，最小插入损耗为0.6 dB。为进一步提高器件性能，缩小器件尺寸，拓展器件功能和用途，Huang等人利用逆向设计方法 [12] 设计了全新的多功能聚焦波长分束器 [13] 和可扩展偏振分束器 [14] ，其中聚焦波长分束器可以同时实现光模式的聚焦和光波长的分束，可扩展偏振分束器则能在0.48 μm×6.4 μm的器件尺寸下实现C波段、L波段和O波段的光偏振分束 。
光耦合器则主要用于实现芯片与外部器件的互连，常用的光耦合器包括端面耦合器和光栅耦合器(图1(e)，(f))。其中端面耦合器是通过在芯片端面优化设计渐变耦合结构，具有耦合光偏振不敏感和耦合带宽大的优点，Cheben等人2015年实现的硅光体系端面耦合器中光场耦合损耗最低可降至0.32 dB/facet，偏振无关耦合带宽大于100 nm [15] 。光栅耦合器是利用特定的光栅结构以一定垂直角度实现光波到芯片的耦合输入/输出，具有设计实现简单、位置布局灵活和对齐对准容差较大的优势。Ding等人在2013年设计了一种啁啾渐变的光子晶体光栅，实现了1.74 dB/facet的超低损耗 [16] 。目前光栅耦合器的用途也在不断扩展，如二维光栅耦合器可以实现偏振自由度与路径自由度的转换 [17] ，Sun等人在2023年设计了具有偏振分束功能的光栅耦合器 [18] 。
硅光体系可以通过多种方式实现光调制/相移器件。基于等离子体色散效应的载流子耗尽型电光效应调制器，可实现低功耗条件下的GHz高速光调制，但光损耗相对较大(图1(g)) [19] 。基于光波导上覆盖电阻发热实现相位调制的热光效应相移器 [20] ，调制速度相对较慢，但工艺简单、尺寸小、功耗低(10—100 mW量级) [21] ，且其器件功耗通过挖槽 [22] 和波导缠绕 [23] 等工艺可以降至几mW量级(图1(h))。此外，基于光波导物理形变效应的微机电系统(MEMS)结构调制器光学损耗低，但工艺复杂且器件尺寸相对较大 [24] 。通过调制器件与光分束器件组合，可以进一步实现马赫—曾德尔干涉仪，是硅光量子芯片实现芯片编程配置的核心器件，是影响计算精度的关键因素。2016年Wilkes等人设计了基于级联结构的马赫—曾德尔干涉仪 [25] ，该器件可实现对加工误差的有效自动补偿，实现了大于60 dB的消光比。
前文介绍的基础器件为实现硅基光量子芯片提供了最基本的器件基础，利用这些基础器件实现大规模的量子计算、量子模拟等应用，核心就是要实现硅基光量子芯片上的光子产生、光子操控以及光子探测，下面进行具体的介绍。
硅基集成光量子芯片受益于硅基集成工艺相对成熟的技术基础，芯片上集成的器件规模和种类都快速增长，在过去10余年间，单个硅基光量子芯片上集成的器件数目从数十个已经增长到数百个乃至千级，显示出快速的增长趋势，如图3所示。同时，通过对芯片上大量集成的相移器、调制器等可配置器件进行操控，硅基光量子芯片可以通过动态编程来实现复杂的量子计算与量子信息处理等任务。硅基光量子芯片技术的大规模集成、可编程配置等优势，推动其在基于光学系统的量子计算、量子模拟以及量子信息处理等应用方面取得了一系列进展。
图3 硅基光量子芯片集成器件数目随时间增长情况
硅基集成光量子芯片技术以传统硅基集成工艺为基础，通过在单个芯片上集成化实现光子的产生、操控以及探测，为大规模光量子计算及量子信息处理实现提供了有效途径。硅基光量子芯片在过去10余年间的集成规模与计算能力也快速增长，展示出了巨大的应用潜力。大规模硅基集成光量子芯片的进一步发展也面临着多方面的技术挑战：一是核心器件的设计优化，随着芯片集成规模的增加，芯片上单个器件的性能、体积、损耗都对芯片整体性能产生影响，需要发展更高性能、更小体积、更低损耗的光量子器件；二是大规模硅基光量子芯片优化设计与模拟仿真，当前光量子芯片设计主要依靠设计人员的设计经验进行，计算机辅助设计技术相对初级，需要发展计算机辅助设计技术来进行大规模硅基光量子芯片的优化设计与模拟仿真；三是大规模硅基光量子芯片的器件标定与封装测试，芯片器件的精确标定直接影响着光量子芯片的整体性能，随着芯片规模的不断增大，需要实现器件的快速精确标定，同时芯片的光电封装技术以及与电子控制芯片的混合封装等也是影响硅基光量子芯片实用化发展的重要因素。
硅光集成技术除了为光量子计算实现带来全新的技术路线，在经典光通信、光计算等领域也具有巨大应用潜力，国内外传统半导体厂商和研究机构也不断加速硅光集成工艺方面的研究，进一步地推动硅基集成光量子芯片技术的实用化进程发展。一方面，未来包含激光器、单光子源、光量子网络以及单光子探测等功能，以及与硅基电子芯片混合集成的全系统集成硅基光量子芯片随着技术的发展有望得到实现；另一方面，突破单一材料体系限制，结合多种材料体系的异质集成光量子芯片技术也在不断发展，有望发挥不同材料体系的特性与优点，共同推进大规模实用化集成光量子计算与量子信息处理芯片的早日实现。
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