近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李浩、尤立星團(tuán)隊在低溫光量子芯片方面取得重要進(jìn)展。面向集成光量子計算、量子互連等應(yīng)用需求，研制出集成泵浦濾波與單光子探測功能的糾纏接收芯片，并完成低溫光量子芯片間的糾纏分發(fā)應(yīng)用演示，相關(guān)成果以“On-chip superconducting nanowire single-photon detectors integrated with pump rejection for entanglement characterization”為題發(fā)表于中國科學(xué)院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊Photonics Research上。

圖 1 能量-時間糾纏接收芯片應(yīng)用示意圖。

低溫光量子技術(shù)可用于低溫信號高保真讀出、跨平臺量子系統(tǒng)互連等，在量子計算和經(jīng)典高性能計算融合發(fā)展的趨勢下愈發(fā)關(guān)鍵。超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）憑借近理想探測效率、納秒級響應(yīng)速度及極低暗計數(shù)率，已成為構(gòu)建光量子技術(shù)體系的關(guān)鍵組件。實(shí)現(xiàn)SNSPD異質(zhì)集成的光量子芯片，可大幅降低芯片間光子耦合損耗，在提升系統(tǒng)集成度的同時顯著增強(qiáng)量子操作保真度與可擴(kuò)展性。微環(huán)諧振器等片上量子光源通常需要使用毫瓦級泵浦光激發(fā)，導(dǎo)致單光子信號易受泵浦噪聲淹沒。因此，協(xié)同實(shí)現(xiàn)高抑制比泵浦濾波和單光子探測是進(jìn)一步解鎖低溫光量子芯片集成度和應(yīng)用的重要突破口。本工作中，研究團(tuán)隊提出了硅基無源泵浦濾波器與SNSPD的單片異質(zhì)集成方案（如圖2）。該方案采用交錯布拉格光柵結(jié)構(gòu)作為無源泵浦濾波器，兼容低溫工作環(huán)境的同時對SNSPD制備過程中引入的額外工藝步驟容忍度大，適合進(jìn)行級聯(lián)以獲得高抑制比。實(shí)驗測得片上SNSPD在1550 nm波段實(shí)現(xiàn)飽和探測，系統(tǒng)探測效率達(dá)到20.1 %（片上量子效率約90%），低溫片上泵浦濾波抑制比超過56 dB，展現(xiàn)了該異質(zhì)集成芯片的優(yōu)異性能（圖3）。

圖 2 芯片結(jié)構(gòu)示意與電子顯微鏡圖。

圖 3 片上泵浦濾波器與SNSPD性能表征結(jié)果。

為了驗證該芯片的能量-時間糾纏接收功能，研究團(tuán)隊將微環(huán)中自發(fā)四波混頻產(chǎn)生的能量-時間糾纏光子對經(jīng)過波分復(fù)用器后分別發(fā)送至兩顆集成泵浦濾波器和SNSPD的芯片上，在兩組非正交測量基下測得Franson雙光子干涉原始可見度分別達(dá)到92.85% ± 5.95%與91.91% ± 7.34%（如圖4），違背了貝爾不等式，完成低溫光量子芯片間的糾纏分發(fā)演示應(yīng)用，展現(xiàn)了其在未來量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力。

圖 4 Franson雙光子干涉實(shí)驗結(jié)果。

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生舒志運(yùn)，通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員。上海微系統(tǒng)所尤立星研究員、清華大學(xué)張巍教授等對本工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項目 (2023ZD0300100)、上海市量子重大專項 (2019SHZDZX01)、國家自然科學(xué)基金(61971408, 12033007, 92365210, U24A20320)以及中國科學(xué)院青年促進(jìn)會項目(2020241, 2021230)的資助。