摘要：PsiQuntum公司是全球总融资额和估值最高的量子计算公司，但向来对其通用光量子技术的进展讳莫如深。他们将如何实现自己制造出百万量子比特通用光量子计算机这一承诺呢？近日发布的论文或许可以让外界管中窥豹，略见一斑。

 

光子已被证明能够成为量子计算系统的稳定基础，光子的独特优势有望使其比别的技术路线更快早实现100 万量子比特系统。但要真正释放这些优势，实现100 万量子比特的容错光量子计算机，还面临很多挑战，主要有以下几点：

 

1、一个满足实用需求的大规模光量子通用计算系统，需要整合数量庞大的光量子组件；

2、为了同时满足纠错需求，这些组件的性能不仅要高于最新的经典集成光学器件，还要在经典集成光学器件库之外引入非标准件，比如高效单光子探测器等；

3、所有组件必须集成到一个复杂系统中，要能实现光电设备的快速控制、计算模块间信息的低损耗、量子比特的高保真联网等。

 

现实中，一方面是纠错技术的持续突破，另一方面是上述组件的工艺难度居高不下，这使得构建大规模通用量子计算系统这件事，越来越不像一个科学问题，反而更像一个工程问题。

 

前不久，PsiQuantum公司在 arXiv 提交了预印论文《A manufacturable platform for photonic quantum computing（光量子计算的可制造平台）》，概述了光量子计算硬件工艺的进步，提出并验证了一个可制造、基于硅光子学的量子计算平台。这一平台其中的技术构成了大多数光量子计算方案所需的基本操作和能够实现高保真的量子操作，并剧透了一系列下一代技术，展示光量子计算系统扩展至实用规模的潜力。

 

 

硅光子学工艺，是一种在硅衬底上集成了光波导、光开关、光调制器和光电探测器等元器件的制造工艺。它已经有了数十年的工业发展基础，制造工艺已经相当成熟。

 

PsiQuantum 团队对已有的硅光子学制造流程进行改进，使其可以集成高性能单光子检测器件和生成光子对的器件，使之升级成可用于光量子计算的制造平台。据了解，这是首次能够实现光量子比特的片上生成、操控和检测的集成光子技术平台。

 

PsiQuantum 的光量子基线所使用到的一系列制造工艺技术，是与知名半导体代工厂 GlobalFoundries 合作开发的，采用了完全集成的 300mm 硅光子学工艺制造流程，这一基线的可扩展性与性能能满足大批商业制造的需求。

 

该基线关键工艺模块包括无源绝缘体上的硅（SOI）光子波导、用于单光子检测的氮化铌（NbN）超导层、用于光学降噪的深金属填充沟槽、用于相位控制和光学电路可重构性的电阻加热器、用于光输入/输出（I/O）的光栅耦合器、线路后端铜电互连和铝再分配层等。

 

借助一系列制造工艺技术，PsiQuantum就能够通过标准硅光子波导组件，构建量子光子集成电路，包括定向耦合器、交叉波导和热移相器等，再将这些基础光子元件件进行组合，就能够得到光量子计算平台的关键模块：高保真自发光子对源；用于电路可重构性、量子比特操作和滤波的干涉仪，以及波导集成单光子探测器等。

 

平台的关键构建块：光子源、滤光片网络、干涉仪和探测器原理图。

 

 

论文中提到PsiQuantum在一个关键的技术上取得了突破，完成了在单片上集成的硅光子模块。

 

通过单片集成的方式，在一个硅光芯片上实现了执行量子计算所需的全部操作，即光量子比特的生成、操控、互联和测量。

 

(1)光量子比特的生成

光量子比特的生成是通过“自发四波混频”（Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM）过程实现的。在这一过程中，一个脉冲激光泵浦与硅光子芯片上的波导相互作用，以概率方式生成一对光子。这些光子对的生成是可预期的。因为每当生成一个光子时，通常伴随着另一个光子的产生，这两个光子具有特定的关联性，如偏振、能量或者时间等。这种关联性可以用来“先导”或预告一个单光子的存在，因此得名“先导单光子源”（Heralded Single Photon Source, HSPS）。

 

(2)光量子比特的操控

操控光量子比特涉及到对光子的路径、相位和偏振等属性进行精确控制。在PsiQuantum的平台上，操控是通过一系列集成的光学元件实现的，包括“定向耦合器”、“交叉波导”和“热相移器”。这些元件可以构建成环形谐振器和马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪，通过优化设计-测试周期，提供可被预测的性能。

 

(3)光量子比特的互联

互联是指在不同的量子计算模块之间传输量子信息。PsiQuantum展示了一种“芯片间量子比特互联”的技术，允许在不同的芯片或模块之间传输量子比特。这是通过电信波段的光子传输实现的，利用了光波导和光纤之间的高效耦合。

 

(4)测量

光量子比特的测量是量子计算中的关键步骤，需要高效率和高保真度。PsiQuantum团队引入了一种“铌氮化物（NbN）层”，以实现高性能的工业级超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）。这些探测器在约 2K 的超低温度下工作，并能表现出很高的内部检测效率。

 

 

论文的核心部分，展示了这一平台所加工的光量子计算芯片在量子比特的生成、操控和互联方面取得的结果。

 

·双轨光子量子比特的状态制备和测量的保真度达到 99.98% ± 0.01%。

·观测到HOM 量子干涉的概率达到 99.50% ± 0.25%。

·两量子比特融合的保真度达到 99.22% ± 0.12%。

·芯片间量子比特互联的保真度达到 99.72% ± 0.04%。

 

这些实验结果表明，在通用量子计算的基本操作方面，PsiQuantum 的光量子计算平台已经达到了极高的性能标准。

 

 

论文中，PsiQuantum 还提出了下一代光量子芯片制造技术方向，以解决当前平台的局限性，进一步提升性能。这些技术包括：

 

·低损耗硅氮化物波导和元件：能提供更低的波导传播损耗，更能适应不同工艺变化。

·制造容错光子源：指的是那些在制造过程中对工艺缺陷或不完美条件具有较高容忍度的光子源，通过优化设计来减少这些因素对光子源性能的影响。保证在不完美的制造条件下也可产生高质量的光子，这样就降低了对制造精度的要求，从而降低成本并提高可制造性。

·高效率的光子数分辨探测器：为量子计算提供了更精确的检测能力。

·低损耗芯片到光纤耦合：为实现高效的量子网络化提供了可能。

·光电移相器：为可重构的量子网络提供了关键组件。

 

PsiQuantum团队在这篇论文中展示的种种突破可以被认为是光量子计算领域的一个重要里程碑。通过开发通用光量子计算可制造平台，团队不仅展示了高保真度的量子操作能力，为实现大规模实用化的量子计算提供了一条清晰的技术路线，还指出下一代技术的方向。正如论文所述，希望我们工业制造的光量子平台的影响，会是广泛性和实质性的。”这不仅是当下量子计算领域的一个巨大进步，也为未来的量子计算技术发展开辟了新的可能性。

 

本文转载自微信公众号：量子前哨

参考资料：[2404.17570] A manufacturable platform for photonic quantum computing

摘要：PsiQuntum公司是全球总融资额和估值最高的量子计算公司，但向来对其通用光量子技术的进展讳莫如深。他们将如何实现自己制造出百万量子比特通用光量子计算机这一承诺呢？近日发布的论文或许可以让外界管中窥豹，略见一斑。

 

光子已被证明能够成为量子计算系统的稳定基础，光子的独特优势有望使其比别的技术路线更快早实现100 万量子比特系统。但要真正释放这些优势，实现100 万量子比特的容错光量子计算机，还面临很多挑战，主要有以下几点：

 

1、一个满足实用需求的大规模光量子通用计算系统，需要整合数量庞大的光量子组件；

2、为了同时满足纠错需求，这些组件的性能不仅要高于最新的经典集成光学器件，还要在经典集成光学器件库之外引入非标准件，比如高效单光子探测器等；

3、所有组件必须集成到一个复杂系统中，要能实现光电设备的快速控制、计算模块间信息的低损耗、量子比特的高保真联网等。

 

现实中，一方面是纠错技术的持续突破，另一方面是上述组件的工艺难度居高不下，这使得构建大规模通用量子计算系统这件事，越来越不像一个科学问题，反而更像一个工程问题。

 

前不久，PsiQuantum公司在 arXiv 提交了预印论文《A manufacturable platform for photonic quantum computing（光量子计算的可制造平台）》，概述了光量子计算硬件工艺的进步，提出并验证了一个可制造、基于硅光子学的量子计算平台。这一平台其中的技术构成了大多数光量子计算方案所需的基本操作和能够实现高保真的量子操作，并剧透了一系列下一代技术，展示光量子计算系统扩展至实用规模的潜力。

 

 

硅光子学工艺，是一种在硅衬底上集成了光波导、光开关、光调制器和光电探测器等元器件的制造工艺。它已经有了数十年的工业发展基础，制造工艺已经相当成熟。

 

PsiQuantum 团队对已有的硅光子学制造流程进行改进，使其可以集成高性能单光子检测器件和生成光子对的器件，使之升级成可用于光量子计算的制造平台。据了解，这是首次能够实现光量子比特的片上生成、操控和检测的集成光子技术平台。

 

PsiQuantum 的光量子基线所使用到的一系列制造工艺技术，是与知名半导体代工厂 GlobalFoundries 合作开发的，采用了完全集成的 300mm 硅光子学工艺制造流程，这一基线的可扩展性与性能能满足大批商业制造的需求。

 

该基线关键工艺模块包括无源绝缘体上的硅（SOI）光子波导、用于单光子检测的氮化铌（NbN）超导层、用于光学降噪的深金属填充沟槽、用于相位控制和光学电路可重构性的电阻加热器、用于光输入/输出（I/O）的光栅耦合器、线路后端铜电互连和铝再分配层等。

 

借助一系列制造工艺技术，PsiQuantum就能够通过标准硅光子波导组件，构建量子光子集成电路，包括定向耦合器、交叉波导和热移相器等，再将这些基础光子元件件进行组合，就能够得到光量子计算平台的关键模块：高保真自发光子对源；用于电路可重构性、量子比特操作和滤波的干涉仪，以及波导集成单光子探测器等。

 

平台的关键构建块：光子源、滤光片网络、干涉仪和探测器原理图。

 

 

论文中提到PsiQuantum在一个关键的技术上取得了突破，完成了在单片上集成的硅光子模块。

 

通过单片集成的方式，在一个硅光芯片上实现了执行量子计算所需的全部操作，即光量子比特的生成、操控、互联和测量。

 

(1)光量子比特的生成

光量子比特的生成是通过“自发四波混频”（Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM）过程实现的。在这一过程中，一个脉冲激光泵浦与硅光子芯片上的波导相互作用，以概率方式生成一对光子。这些光子对的生成是可预期的。因为每当生成一个光子时，通常伴随着另一个光子的产生，这两个光子具有特定的关联性，如偏振、能量或者时间等。这种关联性可以用来“先导”或预告一个单光子的存在，因此得名“先导单光子源”（Heralded Single Photon Source, HSPS）。

 

(2)光量子比特的操控

操控光量子比特涉及到对光子的路径、相位和偏振等属性进行精确控制。在PsiQuantum的平台上，操控是通过一系列集成的光学元件实现的，包括“定向耦合器”、“交叉波导”和“热相移器”。这些元件可以构建成环形谐振器和马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪，通过优化设计-测试周期，提供可被预测的性能。

 

(3)光量子比特的互联

互联是指在不同的量子计算模块之间传输量子信息。PsiQuantum展示了一种“芯片间量子比特互联”的技术，允许在不同的芯片或模块之间传输量子比特。这是通过电信波段的光子传输实现的，利用了光波导和光纤之间的高效耦合。

 

(4)测量

光量子比特的测量是量子计算中的关键步骤，需要高效率和高保真度。PsiQuantum团队引入了一种“铌氮化物（NbN）层”，以实现高性能的工业级超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）。这些探测器在约 2K 的超低温度下工作，并能表现出很高的内部检测效率。

 

 

论文的核心部分，展示了这一平台所加工的光量子计算芯片在量子比特的生成、操控和互联方面取得的结果。

 

·双轨光子量子比特的状态制备和测量的保真度达到 99.98% ± 0.01%。

·观测到HOM 量子干涉的概率达到 99.50% ± 0.25%。

·两量子比特融合的保真度达到 99.22% ± 0.12%。

·芯片间量子比特互联的保真度达到 99.72% ± 0.04%。

 

这些实验结果表明，在通用量子计算的基本操作方面，PsiQuantum 的光量子计算平台已经达到了极高的性能标准。

 

 

论文中，PsiQuantum 还提出了下一代光量子芯片制造技术方向，以解决当前平台的局限性，进一步提升性能。这些技术包括：

 

·低损耗硅氮化物波导和元件：能提供更低的波导传播损耗，更能适应不同工艺变化。

·制造容错光子源：指的是那些在制造过程中对工艺缺陷或不完美条件具有较高容忍度的光子源，通过优化设计来减少这些因素对光子源性能的影响。保证在不完美的制造条件下也可产生高质量的光子，这样就降低了对制造精度的要求，从而降低成本并提高可制造性。

·高效率的光子数分辨探测器：为量子计算提供了更精确的检测能力。

·低损耗芯片到光纤耦合：为实现高效的量子网络化提供了可能。

·光电移相器：为可重构的量子网络提供了关键组件。

 

PsiQuantum团队在这篇论文中展示的种种突破可以被认为是光量子计算领域的一个重要里程碑。通过开发通用光量子计算可制造平台，团队不仅展示了高保真度的量子操作能力，为实现大规模实用化的量子计算提供了一条清晰的技术路线，还指出下一代技术的方向。正如论文所述，希望我们工业制造的光量子平台的影响，会是广泛性和实质性的。”这不仅是当下量子计算领域的一个巨大进步，也为未来的量子计算技术发展开辟了新的可能性。

 

本文转载自微信公众号：量子前哨

参考资料：[2404.17570] A manufacturable platform for photonic quantum computing