OFC2025 | 光量子计算的基础构件

引言

量子计算是信息处理领域最有希望的前沿技术之一，有潜力解决经典计算机难以处理的问题。在各种量子计算方法中，光量子计算因其固有的低噪声特性而脱颖而出。光子在展示量子叠加、量子纠缠和逻辑门等基本量子现象方面发挥了重要作用。然而，将光量子计算系统扩展到实用水平仍然面临挑战，因为所涉及的光子组件需要满足严格的性能要求[1]。

量子计算中容错性的需求

实用量子计算机需要错误纠正机制来实现容错操作。这一基本要求意味着实用量子计算系统需要数百万个物理量子比特。对于光量子计算机，回溯到2000年代初期的提案已经确定，构建实用系统需要大量高性能光子组件。

关键挑战不仅在于所需组件的数量，还在于组件的质量。量子计算中使用的纠错码要求性能水平超过传统集成光电子平台通常能够提供的水平。这需要在传播损耗、组件插入损耗和制造均匀性等关键指标上取得显著改进。

与代工厂合作的工艺协同优化

为应对这些挑战，PsiQuantum的研究人员制定了一项策略，重点是同时优化制造工艺和组件设计。通过与硅基光电子代工厂（特别是Global Foundries）建立富有成效的合作关系，他们创建了一种定制制造技术，该技术包含多个非标准工艺模块。这些包括超导纳米线探测器、电光调制器、多个高性能波导层和先进的光学I/O功能。

这种方法在波导传播损耗方面取得了显著成果。通过多次学习和优化循环，研究人员实现了1.58±0.50 dB/m的单模氮化硅波导损耗和仅0.39±0.12 dB/m的多模波导损耗。此外，他们在改善氮化硅波导层均匀性方面取得了重大进展，这对于构建具有一致性能的大规模线路至为重要。

光量子技术的关键无源组件

线性光学量子计算的一个优势是每个光子光路中所需的不同光学组件数量相对较少。这不仅减少了整体光子损耗，还简化了光子线路的设计和制造。几个基本构件—分束器、波导交叉、马赫-曾德干涉仪、光学延迟线、弯曲和锥形结构—构成了所需芯片上组件的大部分。

图1显示了关键无源组件的插入损耗测量结果，包括波导交叉（Xing）、两种类型的分束器（Splitter1和Splitter2）以及波导弯曲（Bend90），所有测量均在1560nm进行。

分束器

分束器在光量子计算中扮演核心角色。2×2分束器对于创建使光子形成量子比特的干涉仪特别重要。这些组件必须表现出极低的损耗，同时保持极其准确和精确的50/50分光比。

研究团队探索了多种分束器架构，并确定了两种特别有希望的设计。第一种设计实现了显著低损耗，测量值为0.564 mdB±0.032 mdB，分光比变异性为0.99%（1σ）。第二种设计表现出略高的损耗，为1.28 mdB±0.028 mdB，但提供了更好的分光比一致性，变异性仅为0.2%（1σ）。

波导交叉

广义马赫-曾德干涉仪（GMZIs）形成了线性光学量子计算所必需的切换网络的基础。这些GMZIs需要大量低损耗波导交叉。研究人员全面地解决了这一设计挑战，寻求可以有效扩展到大量交叉同时最小化损耗和物理占用面积的解决方案。

他们的最佳设计实现了一个1×1多模干涉仪，使用伴随方法优化以实现极低的损耗和串扰。晶圆级测量表明每个交叉的插入损耗仅为0.27±0.1 mdB，串扰测量值低于-80 dB。这些性能指标代表了波导交叉的最先进水平。

波导弯曲

波导弯曲的优化涉及一种新颖的特征模扩展优化方法。这种方法将每个弯曲离散化为多个部分，并单独优化每个部分的长度和曲率。优化程序还包含一个取决于宽度和弯曲半径的损耗项，以模拟线边缘粗糙度对曲线波导的影响。

这种复杂的方法产生了具有复杂曲率剖面的弯曲，可以同时最小化路径长度和总插入损耗。通过这种方法，团队展示了插入损耗仅为0.25±0.03 mdB的90度波导弯曲，同时保持比具有匹配最小弯曲半径的传统欧拉弯曲更小的占用面积。

结论

本文描述的无源光子组件的进展代表了实现容错光量子计算的关键步骤。通过同时优化制造工艺和组件设计，研究人员在集成光电子平台的核心构件中实现了前所未有的性能水平。

具有创纪录低传播损耗的高限制氮化硅波导，结合卓越的制造均匀性，为具有高产量的复杂光子线路提供了可行途径。所展示的分束器、波导交叉和弯曲据现有知识所知代表了这些组件迄今为止损耗最低的实现。这些成就使我们更接近实现实用的、容错的光量子计算机。