突破光损耗瓶颈！新一代集成光子平台实现 94.3% 量子态保真度

集成光子电路通过在紧凑的芯片上结合光子源与线性光学网络，构建出具备可扩展性与鲁棒性的量子技术。来自国际量子研究院、深圳福田南方科技大学量子科学与工程研究院、中国科学技术大学以及南方科技大学的罗亦涵及其同事，通过演示一种用于离散变量量子信息处理的单片集成氮化硅平台，攻克了此类系统中的核心瓶颈——光损耗。其架构实现了高保真度的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森态（EPR态）（0.9875±0.0003）以及近乎完美的光子不可区分性，从而实现了四光子 GHZ 态的合成与表征，创下了 0.943±0.008 的保真度纪录以及 27 Hz 的四光子符合计数率。这代表了相比此前硅基光子实现的重大飞跃。这些成果结合兼容 CMOS 的制造工艺，确立了超低损耗氮化硅集成光子学作为构建大规模、可部署量子处理器的可行平台地位。

通过集成氮化硅光子学实现高速率多光子纠缠

四光子 GHZ 态达到 27 Hz 的四光子符合计数率，代表了全新的性能水平，比以往的硅基光子实现提升了两个数量级以上。这一关键突破跨越了此前阻碍制备复杂多光子态的“计数率-损耗屏障”，而复杂多光子态对可扩展量子计算至关重要。早期的量子光子系统往往连可靠地产生单对纠缠光子都十分吃力，限制了可执行量子算法的复杂度。根本挑战在于光子在光路中传输时维持其脆弱量子态的能力，因为光损耗会迅速导致信号劣化。该氮化硅平台将核心组件——窄带光子源、量子比特融合电路和态分析干涉仪——集成至单块芯片上，简化了流程并极其关键地将光损耗降至最低。这种集成减少了光学界面的数量，而光学界面正是光子损耗和去相干的主要来源。GHZ 态作为一种由四个量子比特构成的特定纠缠态，对损耗极其敏感，因此能够高保真度地制备该态是该平台强大能力的有力例证。制备和测量这些态的能力对于演示量子非局域性以及验证量子算法性能至关重要。

该制造工艺采用 150 毫米（6 英寸）直径的晶圆，契合标准半导体制造技术，强烈预示着大批量生产的可扩展性。国际量子研究院与中国科学技术大学实现了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森态 （EPR态）0.9875±0.0003 的保真度，EPR 态是作为量子计算和量子通信基本构件的复杂纠缠光子对。这些光子源还表现出近乎完美的光子不可区分性，经预警式洪-欧-曼德尔干涉（即 HOM 干涉）可见度达到 0.990±0.006 所证实，这对于成功的量子操作至关重要。光子不可区分性是实现双光子干涉的关键前提，能够用来构建更复杂的纠缠态。洪-欧-曼德尔效应通过展示当两个全同光子在分束器相遇时会聚拢而非散射，从而证明了这种不可区分性。通过在单芯片上融合两个 EPR 态，研究团队合成并表征了四光子 GHZ 态。这创下了 0.943±0.008 的保真度纪录。对片外连接和探测方法的进一步优化，例如采用具有更高效率和更低暗计数率、的超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），可能会进一步提升光子产生速率和整体系统性能。提高芯片与光纤之间的耦合效率也是未来发展的关键领域。

单片氮化硅无缝集成光子源与量子比特融合电路，实现高保真度

氮化硅被证明是关键所在，它使得窄带光子对源与低损耗量子比特融合电路无缝集成的平台制备成为可能。这些电路结合量子比特进行计算，其功能非常类似于传统计算机中的逻辑门，但处理的是量子信息。量子比特融合过程对于扩展量子计算规模至关重要，它允许实现多个量子比特的纠缠以及复杂量子算法的执行。精细控制光在芯片复杂网络中的传播，将光损耗降至最低；而在量子计算中，光损耗是主要障碍，处理过程中的光子丢失会导致错误和去相干。研究团队利用微环谐振腔（具有高品质因数的微小环形结构），通过自发四波混频（SFWM）产生纠缠光子对，从而增强了微小空间内的光相互作用。该过程能高效地将泵浦光子转换为信号光子和闲置光子，从而创建纠缠光子对。使用具有极低光吸收率的氮化硅，对于在芯片内长距离维持光子的相干性至关重要。与硅相比，氮化硅在量子光子学常用的波长段（通常约为 1550 nm，即通信波段）表现出显著更低的材料损耗。

超低损耗氮化硅制造工艺为可扩展量子处理器铺平道路

来自国际量子研究院和中国科学技术大学的科学家们研发了这一氮化硅平台，以解决阻碍量子计算机扩展的长期挑战——光损耗。这一新架构成功以创纪录的保真度产生了复杂的多光子态，但该演示也突显了对片外耦合和探测的依赖，这在目前限制了系统的整体性能。目前的系统仍依赖于将芯片与外部组件连接以发送和接收光，从而引入了阻碍达到峰值性能的损耗。这些片外连接需要精密的对准，且容易受到环境噪声的影响。解决这一局限性将涉及直接在氮化硅芯片上开发集成光源和探测器，从而无需外部组件。这将需要材料科学和纳米制造技术的进一步突破。

尽管如此，这项超低损耗氮化硅的演示依然意义重大，因为它为构建更大、更复杂的量子处理器建立了一条可行的制造工艺路径。即使片外集成仍需持续改进，在标准晶圆上制造这些器件的能力也为迈向可扩展量子计算铺平了道路。该氮化硅平台集成了离散变量量子信息处理所需的所有核心组件，为可扩展性树立了全新的标杆。它超越了对现有硅基方法的简单改良，展示了能够以创纪录保真度产生并操控复杂多光子态的单片集成电路。该平台的潜在应用延伸至量子计算之外，还包括安全量子通信网络和先进量子传感技术。开发可扩展且鲁棒的量子光子平台，是实现量子信息科学全盘潜力的关键一步。

研究人员演示了一种全新的氮化硅集成光子平台，能够以 0.943 的保真度产生复杂的四光子态。这一成就通过创建具有超低损耗的单片集成电路，解决了扩展量子计算机的核心瓶颈——光损耗。该平台将光子源、量子比特融合电路和态分析干涉仪集成在单块芯片上，标志着迈向构建更大、更复杂量子处理器的重大一步。尽管当前系统仍依赖于外部连接，但作者指出，未来的工作将侧重于将光源和探测器直接集成到芯片上，以进一步提升性能。

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原文：Hu and Colleagues Demonstrate 0.943 Efficiency Photonic Platform for Quantum Information Processing