可扩展的电信光子时间复用

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引言

光量子技术处于技术创新的前沿，有望在量子计算、安全通信和互连量子网络方面取得突破。这些先进技术的核心挑战是：如何高效可靠地产生单光子。本文将探讨研究人员最近展示的一种创新方法，该方法通过使用薄膜铌酸锂(TFLN)光子技术进行时间复用来解决这一挑战[1]。

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单光子产生的挑战

高效单光子产生仍然是光量子技术中最显著的障碍之一。当前的方法通常分为两类：固态发射器（如量子点）和产生光子对的非线性光学过程。每种方法都有其优势和局限性。

固态发射器如量子点理论上可以按需产生单光子。然而，实际应用面临诸多挑战，包括光子收集效率低（最先进技术仅达到光纤57%效率）以及由于量子点之间固有差异而难以从不同发射器产生不可区分的光子。此外，创建具有高不可区分性和高效率的电信波长量子点仍在不断发展中。

另一种方法使用自发四波混频(SFWM)等非线性光学过程来产生光子对。这些光源在相干泵浦时提供出色的源间不可区分性，使其对大规模光量子系统有价值。通过色散工程，其波长也可设计为电信波段，这对远距离量子通信非常重要。然而，这些光源本质上是概率性的，且产生概率必须保持较低以防止不需要的多光子事件，严重限制了需要多个同时单光子输入的量子协议的可扩展性。

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主动复用：有效的解决方案

克服概率性光子源限制的一个有效策略是主动复用。这种方法包括在不同自由度（如时间或空间）上重复非确定性光子对产生过程，并使用预告信号主动路由成功的光子产生事件到所需输出。

虽然空间复用方案已经实施，但随着每个附加通道需要额外的光子源和探测器，系统规模和成本显著增加，很快变得不切实际。时间复用提供了更节省资源的方法，只需一个光子源、一个探测器和一个主动可控的存储介质或路由网络。

图1：实验中使用的时间复用原理示意图，展示了如何将在不同时间窗口中产生的光子对选择性地路由到固定的输出时间窗口。

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薄膜铌酸锂光子技术简介

本文介绍的研究提出了一种突破性的基于薄膜铌酸锂(TFLN)光子技术的片上时间复用方案。这种方法解决了阻碍先前时间复用实施的关键挑战，特别是对高速、低损耗开关的需求以及最小化资源需求以实现可扩展性。

薄膜铌酸锂因其低损耗、高速开关能力而成为特别有价值的平台，其调制带宽超过数十千兆赫兹。这种能力非常关键，因为它允许在单光子探测器的恢复时间内复用时间窗口，确保这些时间窗口不会降低系统的重复率。

图2：单个TFLN存储环路的光学显微镜图像，连接了高速射频和加热探针，突出显示了波导以显示器件结构。

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实验设置和实施

该实验设置采用了创新的时间复用方法，超越了先前的实施。让我们看看研究人员如何实施这个系统：

图3：实验设置示意图，显示了包括泵浦激光器、硅波导、TFLN存储和控制电子元件的完整系统。

在这个设置中，使用了1.2厘米长的片上硅波导作为光子对源。周期为τ = 200 ps的连续亮脉冲（1545 nm，6 ps脉冲持续时间）对其进行泵浦。这些脉冲从10 GHz重复率激光器中选择，然后通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大，在通过光栅耦合器照射波导之前。

在硅波导内，通过自发四波混频(SFWM)概率性地产生光子对。这个过程每16.07纳秒发生一次，定义了复用光源62.2 MHz的高输出时钟率。产生的光子对使用片外波长分集复用(WDM)滤波器在能量守恒波长1540.56 nm和1550.12 nm分离，分别定义预告和被预告单光子通道。

预告光子被引导到超导纳米线单光子探测器(SNSPD)并由时间标记器记录，以生成探测事件的时序数据。同时，被预告光子被耦合到基于低损耗TFLN光子技术的高分辨率单光子缓冲器。这种TFLN器件可以分辨200 ps的时间步长，包括2.4厘米长的环路和0.4厘米长的马赫-曾德电光开关（以推-拉操作模式工作），特点是3-dB电光带宽超过40 GHz。

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时间复用的控制系统

一个场可编程门阵列(FPGA)状态机，由激光器时钟驱动，在这个设置中具有双重作用：

• 控制复用过程的探测-捕获-释放逻辑
• 生成泵浦脉冲选择的雕刻信号
  

当探测到预告光子时，FPGA根据探测的时间窗口发出一个时钟控制脉冲。这个脉冲通过超快比较器(UC)重塑以达到大约20 ps的快速上升-下降时间，然后放大以匹配TFLN开关的电压要求，最后通过高速射频探针臂应用到器件上。

这个过程有效地将被预告光子在TFLN环路中存储必要的τ整数倍时间，直到达到预定的输出时间窗口。为了补偿电子信号传播延迟，在被预告路径中引入了大约400纳秒的静态光纤延迟，确保开关激活与光子到达正确同步。

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TFLN时间复用系统的性能结果

研究人员通过时间复用系统展示了令人印象深刻的结果。让我们看看关键性能指标：

图4：展示了被预告单光子概率和速率与复用源数量的关系图，包括探测值和探测器效率校正值。

该系统在单个时钟周期内复用N = 12个时间模式。当硅源以平均光子数μ = 0.03（确保低多光子贡献）运行时，测得预告效率ηi = 0.09和被预告单光子探测效率ηs = 0.008。

对于单个非复用源（N = 1），被预告光子的探测概率为0.0021%。经探测器效率归一化后，增加到0.00295%。当使用N = 12个时间模式的完整复用配置时，探测概率增加到0.00707%，经探测器效率归一化后达到0.01%。与非复用情况相比，这代表增强因子(E)为3.37。

图5：预告探测率和概率与复用源数量的关系，显示随着更多时间窗口被复用而线性增长。

预告率和概率随着复用源数量增加显示出一致的上升趋势，表明系统在12个时间模式下尚未达到饱和。

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维持单光子纯度

对任何复用源的一个关键问题是：概率的增强是否以增加多光子噪声为代价，这会损害单光子状态的质量。

图6：二阶自相关函数g(2)(0)与复用源数量的关系，显示尽管进行了复用，单光子纯度仍然得到维持。

为了解决这个问题，研究人员测量了二阶相关函数g(2)(0)作为N的函数，发现其保持在0.1左右的常数，远低于0.5的阈值，这表明了高质量的单光子发射器。这证实了时间复用源成功地增强了单光子产生概率，而没有增加相对于单光子比例的多光子污染。

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系统效率和实际考虑因素

研究人员在TFLN器件中实现了低于6.8 dB的光纤到光纤插入损耗。存储介质本身的净传输效率为0.41，包括通过开关的一次通过，然后到达收集光纤。这导致被预告光子的净系统效率为ηs = 0.0225，将复用源的被预告单光子概率提高到0.021%，产生13 kHz的被预告单光子率。

虽然当前实施显示了令人印象深刻的结果，但作者指出几个实际改进可以显著增强性能：

• 引入高效率光子数探测器，更好地预告真正的单光子状态
• 使用最先进技术将硅传播损耗降低到0.027 dB/cm
• 实施损耗低于0.1 dB的片上非对称马赫-曾德干涉仪滤波器
• 利用损耗约为0.1 dB的SiN耦合器
• 利用接近单位效率的探测器
  

通过这些改进，系统理论上可以达到预告效率ηi = 0.89和净被预告效率ηs = 0.87，大幅提高性能。

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未来前景和扩展

这种实施中限制更高增强的主要因素是被预告光子在TFLN存储期间经历的损耗。最近的进展已将TFLN传播损耗降低到创纪录的0.013 dB/cm，这理论上可以实现多达300个时间窗口的有效复用，潜在地将增强因子提高到E = 57。

对于需要多个同时光子的实际量子应用，研究人员计算出，通过最先进的改进，复用源可以达到pm ≈ 0.45的输出概率。这使得该光源即使对于需要10个或更多同时光子的实验设置也适用，具有相当高的事件率C10 ≈ 5.7k s^-1。

研究人员还讨论了混合空间-时间复用方法的潜力，其中多个硅源与对数树结构中的时间复用相结合。这种混合方法与4个硅源和150个时间窗口理论上可以达到pm = 0.7，E = 92的概率，而8个硅源可以达到pm = 0.78，E = 103。

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结论

薄膜铌酸锂时间复用演示代表了光量子技术高效单光子源发展的重要一步。该系统运行在62.2 MHz重复率，实现了单光子概率的3.37 ± 0.05增强，且没有引入额外的多光子噪声。

这项工作展示了TFLN光子技术在创建资源高效、可扩展复用单光子源方面的可行性和潜力。通过整合进一步的技术改进，这些系统可以提供实用大规模量子技术所需的近确定性单光子源，从量子计算到安全通信网络。

该方法的优势在于与空间复用方案相比的资源效率，以及与集成光子平台的兼容性。随着量子技术继续发展，使用TFLN光子技术的时间复用可能成为生成未来量子系统所需的高质量、按需单光子的核心技术。

参考文献

[1] Ç. Ekici, Y. Yu, J. C. Adcock, A. L. Muthali, M. Zahidy, H. Tan, Z. Lin, H. Li, L. K. Oxenløwe, X. Cai, and Y. Ding, "Scalable temporal multiplexing of telecom photons via thin-film lithium niobate photonics," npj Quantum Information, vol. 11, no. 21, pp. 1-5, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41534-024-00929-3.

END