鈮酸鋰基光量子器件與集成技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

01 邁進(jìn)鈮酸鋰谷

近年來(lái)，量子光學(xué)得到了迅速發(fā)展，不僅僅表現(xiàn)在量子物理基礎(chǔ)研究取得一系列突破，光量子信息也逐步走出實(shí)驗(yàn)室，并最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。量子光學(xué)研究的進(jìn)一步深入和光量子信息實(shí)用化的關(guān)鍵在于光量子集成技術(shù)的突破，采用光量子集成器件替代體塊光學(xué)元件，有望大大縮小量子光路的體積、重量，在有限的尺寸內(nèi)完成所需的功能，最終實(shí)現(xiàn)集光子態(tài)產(chǎn)生、調(diào)控、存儲(chǔ)、探測(cè)于一體的全功能集成光量子芯片。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們發(fā)展了以硅、氧化硅、氮化硅、鈮酸鋰等材料為襯底的光量子集成技術(shù)，演示了具有不同功能的光量子集成器件及芯片[1，2]。其中鈮酸鋰材料具有透明波段寬、吸收損耗低、抗光學(xué)損傷閾值高等特點(diǎn)，尤其是同時(shí)具有很高的非線性光學(xué)、電光、聲光、熱光系數(shù)，在經(jīng)典光學(xué)研究中就已經(jīng)被認(rèn)為是理想的光子集成襯底材料[3，4]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了一系列基于鈮酸鋰的微加工技術(shù)，能夠基于準(zhǔn)相位匹配原理和疇工程技術(shù)設(shè)計(jì)制備光學(xué)超晶格等人工微結(jié)構(gòu)材料[5]；通過(guò)鈦擴(kuò)散、質(zhì)子交換等技術(shù)加工低損耗的光學(xué)波導(dǎo)[6]；近年來(lái)人們又基于智能剝離技術(shù)研發(fā)了鈮酸鋰薄膜和相關(guān)器件的加工工藝，大大縮小了鈮酸鋰功能器件的體積，使大規(guī)模鈮酸鋰光子集成成為可能[7，8]。目前鈮酸鋰集成器件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換[9，10]、高速低功耗電光調(diào)制[11]、聲光調(diào)制[12]、高性能射頻濾波[13]、微腔光學(xué)頻率梳產(chǎn)生[14]等功能集成。為此，美國(guó)哈佛大學(xué)發(fā)表了題為“Now entering，Lithium Niobate Valley”的報(bào)道[15]，指出：“鈮酸鋰材料對(duì)于光子學(xué)的意義，等同于硅材料對(duì)于電子學(xué)的意義?！扁壦徜嚰善骷粌H大大推動(dòng)了經(jīng)典集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于光量子集成也具有重要意義[16，17]，它極大地豐富了量子集成器件的“工具箱”，可以實(shí)現(xiàn)高碼率量子光源產(chǎn)生、高速高保真度光子態(tài)操控、高效率單光子頻率轉(zhuǎn)換等功能，并有望實(shí)現(xiàn)全集成的光子頻率態(tài)操控、確定性多光子態(tài)產(chǎn)生、光子態(tài)存儲(chǔ)和探測(cè)，為全集成的有源光量子芯片提供了一種可能的方案，如圖1所示。

圖1 全功能集成的有源光量子芯片

本文將回顧鈮酸鋰基高性能光量子器件和光量子集成芯片的研究進(jìn)展，并對(duì)其在未來(lái)光量子信息時(shí)代的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行探討。

02 鈮酸鋰基光量子集成器件：全功能集成的基石

2.1 鈮酸鋰基量子光源

量子光源是光量子信息的核心資源。目前光子態(tài)制備最常用的辦法是基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的雙光子態(tài)制備，在這個(gè)過(guò)程中一個(gè)高頻光子通過(guò)非線性光學(xué)作用轉(zhuǎn)換為兩個(gè)低頻光子，由于能量守恒和動(dòng)量守恒條件的約束，這兩個(gè)光子具有內(nèi)稟的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)或者糾纏特性。鈮酸鋰材料具有很高的非線性系數(shù)，并且人們已經(jīng)發(fā)展了完善的鈮酸鋰基光學(xué)超晶格和低損耗波導(dǎo)等光學(xué)微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)，可以充分利用材料最高的非線性光學(xué)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)很高的光子產(chǎn)率。更重要的是，利用準(zhǔn)相位匹配原理和疇工程設(shè)計(jì)，人們能夠通過(guò)光學(xué)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)光子態(tài)進(jìn)行調(diào)控[18]，如圖2(a)所示，光學(xué)超晶格中產(chǎn)生的光子態(tài)波函數(shù)可以寫成

其中分別是泵浦和信號(hào)、閑頻光子波矢，ψ0是歸一化常數(shù)，是產(chǎn)生算符，表示真空態(tài)，是疇結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的動(dòng)量空間的倒格矢，動(dòng)量守恒條件由表示。因此人們可以通過(guò)對(duì)微疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工調(diào)控來(lái)改變倒格矢，從而實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的產(chǎn)生和調(diào)控集成的量子光源。光學(xué)超晶格不僅限于周期結(jié)構(gòu)，南京大學(xué)、斯坦福大學(xué)、波士頓大學(xué)等團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研發(fā)了準(zhǔn)周期[19]、多周期[20]、非周期[21]和不同結(jié)構(gòu)的二維光學(xué)超晶格[22，23]，如圖2(b)所示，實(shí)現(xiàn)了若干時(shí)間能量糾纏光源、路徑糾纏光源的高效率制備和頻譜、空間分布等維度的集成化調(diào)控，展示了利用光學(xué)超晶格集成量子光源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光量子態(tài)的能力。

圖2 基于光學(xué)超晶格的集成量子光源 (a)光學(xué)超晶格集成量子光源示意圖；(b)二維光學(xué)超晶格實(shí)物照片[23]；(c)基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的單通量子光源[28]；(d)基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)微環(huán)諧振腔的集成量子光源[32]

除了體塊光學(xué)超晶格之外，鈮酸鋰基的光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展也已經(jīng)完善，包括質(zhì)子交換波導(dǎo)、鈦擴(kuò)散波導(dǎo)和鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)等。這些波導(dǎo)都可以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)局域，使鈮酸鋰基光量子集成芯片成為可能。對(duì)量子光源來(lái)說(shuō)，波導(dǎo)器件的引入能夠進(jìn)一步提升光子產(chǎn)率。日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2001年首次實(shí)現(xiàn)了基于質(zhì)子交換鈮酸鋰光波導(dǎo)的高亮度糾纏光源，光子對(duì)產(chǎn)率達(dá)到約7.5×109Hz/mW[24]。南京大學(xué)、德國(guó)帕德博恩大學(xué)的團(tuán)隊(duì)也完成了基于質(zhì)子交換和鈦擴(kuò)散光學(xué)超晶格波導(dǎo)的糾纏光源制備，糾纏維度包括路徑[25]、偏振[26，27]等多個(gè)自由度。

另一方面，基于鈮酸鋰薄膜的光學(xué)波導(dǎo)具有更小的截面尺寸和更大的折射率對(duì)比度，有望進(jìn)一步提升光子產(chǎn)率和縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)高集成度的光量子芯片。2021年，南京大學(xué)和中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，制備了基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的時(shí)間—能量糾纏光源[28]，如圖2(c)所示，實(shí)現(xiàn)了2.79×1011Hz/mW的光子產(chǎn)率，這是目前單通非線性光學(xué)波導(dǎo)中產(chǎn)率最高的集成量子光源。此外，亞微米疇結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)反向準(zhǔn)相位匹配，大大壓窄光子對(duì)的線寬[29]，有望用于量子存儲(chǔ)兼容的雙光子源產(chǎn)生和遠(yuǎn)距離光子態(tài)傳輸。2020年德國(guó)帕德博恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了小周期極化的鈦擴(kuò)散鈮酸鋰光學(xué)超晶格波導(dǎo)制備[30]，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了線寬僅GHz量級(jí)的片上雙光子光源制備。

將光學(xué)超晶格波導(dǎo)與諧振腔相結(jié)合也能夠用于窄帶雙光子光源制備，與單通光學(xué)超晶格波導(dǎo)相比，進(jìn)一步提升了光子對(duì)生成的亮度(單位帶寬的光子對(duì)產(chǎn)率)。2015年，德國(guó)帕德博恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)的端面鍍高反膜形成法布里—珀羅諧振腔，實(shí)現(xiàn)了亮度達(dá)3×104Hz/(mW·MHz)的非簡(jiǎn)并單縱模集成量子光源[31]。2020年，史蒂文斯理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過(guò)在鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)上制備小半徑的微環(huán)諧振腔，制備了高亮度、高純度、低信噪比的量子光源，實(shí)現(xiàn)了約1.4×106Hz/(mW·MHz)的高亮度，并用于預(yù)知單光子源[32]，如圖2(d)所示。

目前鈮酸鋰基量子光源已經(jīng)展示了其高亮度、高集成度等特點(diǎn)，為有源集成的光量子芯片制備打下了很好的基礎(chǔ)。

2.2 鈮酸鋰基光子態(tài)操控

實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的高速率、高保真度集成操控是光量子集成的關(guān)鍵。基于光量子集成器件能夠?qū)崿F(xiàn)片上路徑、偏振、頻率等多自由度的態(tài)操控，相比基于體塊光學(xué)元件的量子光路大大縮小了體積和重量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的干涉穩(wěn)定度，對(duì)于提升量子態(tài)操控的集成度具有重要意義。與其他襯底材料相比，鈮酸鋰基的量子集成器件可以通過(guò)電光、聲光、熱光等效應(yīng)，在不引入額外損耗的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)光子態(tài)的高速調(diào)控，尤其是采用片上電光調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光子頻率的調(diào)控，有望解鎖具有無(wú)限維度的頻率自由度并加以利用，極大地拓展光量子信息的可用資源。

早在2012年，英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究者就已經(jīng)基于鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)制備了可電控的量子干涉光路，實(shí)現(xiàn)了光子態(tài)偏振和路徑維度的動(dòng)態(tài)操控[33]。此后，德國(guó)帕德博恩大學(xué)的研究者們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)的片上時(shí)序動(dòng)態(tài)操控[34]。今年最新的工作來(lái)自丹麥哥本哈根大學(xué)和德國(guó)明斯特大學(xué)的研究者們，他們利用鈮酸鋰薄膜集成平臺(tái)制備了可編程量子干涉儀，可以實(shí)現(xiàn)包括片上雙光子干涉、單光子確定性路徑轉(zhuǎn)換及結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的雙光子量子比特干涉在內(nèi)的若干光子態(tài)快速操控功能[35]，如圖3(a)所示，展示了鈮酸鋰基光子態(tài)操控器件的應(yīng)用潛力。

圖3 鈮酸鋰基片上單光子操控器件 (a)基于鈮酸鋰薄膜的可編程量子干涉儀[35]；(b)可用于頻率編碼光子態(tài)操控的鈮酸鋰集成電光調(diào)制頻率分束器[9]

光子頻率調(diào)控是鈮酸鋰基光量子調(diào)控的一大特色。2018年，來(lái)自美國(guó)普渡大學(xué)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)利用基于鈮酸鋰波導(dǎo)的電光調(diào)制器及空間光脈沖整形器實(shí)現(xiàn)了首個(gè)頻率自由度的單比特量子門(阿達(dá)瑪門)，光子態(tài)操控保真度高達(dá)0.9999以上[36]。2019年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完成了不同頻率之間的耦合，實(shí)現(xiàn)了頻率自由度的雙比特量子門(控制非門)，保真度可以達(dá)到0.91[37]。2021年，美國(guó)哈佛大學(xué)研究人員基于鈮酸鋰薄膜集成平臺(tái)，利用一對(duì)耦合的微環(huán)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的全片上頻率分束器，若將其應(yīng)用于光量子信息，在無(wú)需外加脈沖整形器的情況下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子比特的任意操控[9]，如圖3(b)所示。

2.3 鈮酸鋰基單光子頻率轉(zhuǎn)換

在量子光學(xué)與光量子信息應(yīng)用中，不同功能對(duì)于光子頻率有不同的要求：1.5 μm附近的通信波段適合在光纖和自由空間介質(zhì)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸需要；可見(jiàn)光到近紅外波段的光子能夠滿足高性能、小型化的硅單光子探測(cè)器需要；量子存儲(chǔ)需要光子波長(zhǎng)處于對(duì)應(yīng)的原子能級(jí)附近。如果能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的單光子頻率轉(zhuǎn)換，就能夠滿足不同功能的量子光學(xué)需求，推動(dòng)信息系統(tǒng)構(gòu)建[38]。鈮酸鋰基集成器件高效率、低損耗的特性使其成為單光子頻率轉(zhuǎn)換的天然選擇。這方面的研究始于體塊材料的鈮酸鋰光學(xué)超晶格[39，40]，近年來(lái)基于光學(xué)超晶格波導(dǎo)的鈮酸鋰基集成器件也日趨成熟，受到日益重視。更大的集成度帶來(lái)了更高的轉(zhuǎn)換效率，在特定泵浦激光作用下可以實(shí)現(xiàn)近100%的單光子頻率轉(zhuǎn)換。

斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)于2004年首次在質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了通信波段到可見(jiàn)光波段的單光子頻率上轉(zhuǎn)換器件，器件有效長(zhǎng)度4.8 cm，在片上泵浦功率約88 mW時(shí)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)82%的片上頻率轉(zhuǎn)換效率[41]。此后，斯坦福大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、慕尼黑大學(xué)等團(tuán)隊(duì)也紛紛進(jìn)入這一領(lǐng)域，采用鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換波導(dǎo)都實(shí)現(xiàn)了很高的單光子頻率轉(zhuǎn)換效率[42—45]，部分器件已經(jīng)實(shí)用，用于近紅外波段單光子探測(cè)、遠(yuǎn)距離量子存儲(chǔ)單元的糾纏、原子—光子糾纏的遠(yuǎn)距離分發(fā)等應(yīng)用。

圖4 基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的頻率轉(zhuǎn)換器件示意圖，其中插圖為轉(zhuǎn)換波導(dǎo)的電鏡照片

2023年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)制備了首個(gè)基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的單光子頻率上轉(zhuǎn)換器件，在僅5.3 mm的有效作用長(zhǎng)度下，實(shí)現(xiàn)了73%的片上光子頻率轉(zhuǎn)換效率，片上泵浦激光強(qiáng)度約310 mW[10]，如圖4所示。該結(jié)果表明基于鈮酸鋰薄膜器件進(jìn)行單光子頻率轉(zhuǎn)換是可行的。如果能夠進(jìn)一步提升器件制備質(zhì)量，則有望大大降低確定性單光子頻率轉(zhuǎn)換所需的泵浦功率，甚至實(shí)現(xiàn)二極管激光器直接泵浦的確定性單光子頻率轉(zhuǎn)換。鈮酸鋰薄膜單光子頻率轉(zhuǎn)換器件特別適合用于全片上的光子頻率轉(zhuǎn)換，如果用做獨(dú)立器件使用還需要解決輸入輸出損耗問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)效率。

2.4 鈮酸鋰基單光子存儲(chǔ)

量子態(tài)是光量子信息的載體，實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的存儲(chǔ)對(duì)于遠(yuǎn)距離量子通信等應(yīng)用具有重大意義。單光子存儲(chǔ)器可以分為僅需提供較短存儲(chǔ)時(shí)間的“單光子緩沖器”，及可長(zhǎng)時(shí)間保持光子態(tài)存儲(chǔ)狀態(tài)的單光子存儲(chǔ)器。單光子緩沖器通常無(wú)需對(duì)編碼信息光子態(tài)的性質(zhì)進(jìn)行改變，僅利用集成可控的延時(shí)線、布拉格光柵、光學(xué)微腔等操控器件實(shí)現(xiàn)對(duì)光子態(tài)時(shí)序的延遲。對(duì)于光子態(tài)更長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)需求，則需要將光子中編碼的信息轉(zhuǎn)移到相對(duì)穩(wěn)定的原子中來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于單光子緩沖器，帕德博恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)已初步實(shí)現(xiàn)了全片上的可控延時(shí)結(jié)構(gòu)，可控時(shí)長(zhǎng)約皮秒量級(jí)[34]。鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)具有更高的集成度和更低的傳輸損耗，目前研究者們已實(shí)現(xiàn)了米級(jí)的低損耗延時(shí)波導(dǎo)[46]、品質(zhì)因子(Q)達(dá)到億量級(jí)的光學(xué)微腔[47]等集成結(jié)構(gòu)，支持實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的片上緩沖器。今年，來(lái)自丹麥科技大學(xué)和中山大學(xué)的研究者們實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰薄膜的可控延時(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納秒量級(jí)的集成可控單光子緩沖[48]，如圖5(a)所示。

圖5 基于鈮酸鋰薄膜的單光子緩沖器(a)[48]和單光子存儲(chǔ)器(b)[49]

對(duì)于單光子存儲(chǔ)器，早在2007年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)和德國(guó)帕德博恩大學(xué)的研究人員就首次在鈦擴(kuò)散波導(dǎo)中證明了通過(guò)稀土離子摻雜實(shí)現(xiàn)光子態(tài)存儲(chǔ)的可行性[49]。此后，研究者們又開(kāi)發(fā)了若干種類離子摻雜的技術(shù)[50]，不同的離子擁有不同的躍遷能級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段光子態(tài)的存儲(chǔ)。今年最新的工作，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的研究人員已實(shí)現(xiàn)將稀土離子摻雜到鈮酸鋰薄膜的技術(shù)突破，研制了基于鈮酸鋰薄膜光芯片的單光子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100 MHz的存儲(chǔ)帶寬和長(zhǎng)達(dá)250 ns的存儲(chǔ)時(shí)間[51]，如圖5(b)所示，為未來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全集成的鈮酸鋰基光量子芯片提供了技術(shù)支撐。

2.5 鈮酸鋰基異質(zhì)集成器件

人們使用鈮酸鋰集成器件能夠?qū)崿F(xiàn)光子態(tài)產(chǎn)生、調(diào)控、頻率轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，全功能的量子芯片還需要將泵浦激光和單光子探測(cè)器進(jìn)行片上集成，只依靠鈮酸鋰材料難以滿足這些要求，可以引入其他材料，通過(guò)鈮酸鋰基異質(zhì)集成的方法實(shí)現(xiàn)。

III-V族半導(dǎo)體材料是人們常用的激光增益材料，因此將半導(dǎo)體材料與鈮酸鋰異質(zhì)集成能夠滿足量子光源泵浦光的要求。2022年，哈佛大學(xué)與劍橋大學(xué)的研究者們利用倒裝芯片熱壓接合，將磷化銦基的分布式反饋(DFB)激光器與鈮酸鋰薄膜調(diào)制器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了高功率、低噪聲、快調(diào)諧的片上集成激光器[52]，如圖6(a)所示。2023年，中山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用晶片鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)鈮酸鋰器件與III-V族半導(dǎo)體激光器的混合集成[53]。此外，羅切斯特大學(xué)和華東師范大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)展了有源和無(wú)源器件的拼接技術(shù)，用于鈮酸鋰基的激光器制備[54，55]。這些片上激光器為鈮酸鋰基量子光源的泵浦激光集成提供了新的思路。

圖6 鈮酸鋰基異質(zhì)集成器件 (a)異質(zhì)集成的鈮酸鋰基窄線寬激光器[52]；(b)鈮酸鋰基單光子探測(cè)器[56]，其中上圖為NbN與鈮酸鋰薄膜的異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)示意圖，下圖為器件電鏡圖

鈮酸鋰基單光子探測(cè)的研究目前主要集中在超導(dǎo)納米線與鈮酸鋰芯片的集成。2020年，耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次將NiN超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器集成在鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)之上，實(shí)現(xiàn)了46%的單光子探測(cè)效率[56]，如圖6(b)所示。2021年，德國(guó)明斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)同時(shí)將NbTiN超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器與電光調(diào)制光子態(tài)操控器件集成到了基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的網(wǎng)路上，在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)可重構(gòu)的鈮酸鋰集成單光子探測(cè)器，調(diào)制速度達(dá)到了1 GHz，探測(cè)效率約27%[57]。同年，德國(guó)帕德博恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用倏逝波耦合實(shí)現(xiàn)了非晶WSi納米線與鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)的貼片集成，驗(yàn)證了基于鈮酸鋰弱波導(dǎo)體系實(shí)現(xiàn)集成單光子探測(cè)器的可行性[58]。上述結(jié)果證明低溫下工作的鈮酸鋰基超導(dǎo)探測(cè)器是可行的，這為全集成的鈮酸鋰光子芯片補(bǔ)上了重要一環(huán)，當(dāng)然低溫下量子光源、光子態(tài)操控器件的性能尚有待驗(yàn)證。

目前，人們已經(jīng)發(fā)展了若干鈮酸鋰基異質(zhì)集成的加工方法，能夠通過(guò)半導(dǎo)體等材料與鈮酸鋰的異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)片上泵浦激光和單光子探測(cè)等功能集成，進(jìn)一步拓展了鈮酸鋰基光量子集成的能力。

03 鈮酸鋰基光量子集成芯片

綜上，鈮酸鋰基光量子集成“工具箱”[59]已經(jīng)完善，高性能的集成光源、集成光子態(tài)調(diào)控、光子頻率轉(zhuǎn)換器件已經(jīng)發(fā)展成熟，片上單光子探測(cè)器、存儲(chǔ)器也獲得了一定發(fā)展，這為多功能有源集成的鈮酸鋰光量子芯片制備提供了基礎(chǔ)。

目前，鈮酸鋰基光量子芯片的研究已經(jīng)取得了一定的成果。2014年，南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)將量子光源與路徑干涉器件集成在同一個(gè)質(zhì)子交換鈮酸鋰芯片上，制備了首個(gè)鈮酸鋰基光量子芯片[25]。如圖7(a)所示，該芯片通過(guò)糾纏光源、光子干涉儀、電光調(diào)制等功能器件的同片集成，實(shí)現(xiàn)了兩種路徑糾纏光子態(tài)的高效率產(chǎn)生及快速切換功能演示。2018年，帕德博恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了集糾纏光子對(duì)產(chǎn)生和電控偏振態(tài)調(diào)控為一體的集成光量子芯片[34]，如圖7(b)所示。利用片上光子態(tài)偏振切換傳輸，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)光延遲，可調(diào)范圍達(dá)12 ps，并以此為基礎(chǔ)演示了全集成的片上雙光子干涉實(shí)驗(yàn)。

圖7 鈮酸鋰基光量子集成芯片 (a)首個(gè)鈮酸鋰有源集成光量子芯片[25]，其中左圖為芯片示意圖，右圖為實(shí)物照片；(b)鈮酸鋰基偏振及時(shí)間控制芯片[34]；(c)基于鈮酸鋰薄膜的確定性單光子相互作用方案[60]

今后，鈮酸鋰薄膜器件等技術(shù)的發(fā)展為更大規(guī)模的鈮酸鋰光量子集成提供了基礎(chǔ)，而鈮酸鋰基光量子芯片中電光、聲光、熱光等豐富的光子態(tài)高速調(diào)控方式也將在可重構(gòu)的量子光路構(gòu)建中發(fā)揮巨大作用，推動(dòng)光計(jì)算、微波光學(xué)和量子光學(xué)等應(yīng)用的突破。除了這些可以預(yù)見(jiàn)的發(fā)展之外，未來(lái)鈮酸鋰光量子集成還有望突破單光子相互作用這一根本難題。南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表的一項(xiàng)理論研究表明[60]，基于鈮酸鋰薄膜的光量子芯片有可能實(shí)現(xiàn)基于級(jí)聯(lián)確定性單光子下轉(zhuǎn)換的確定性多光子光源，所需器件的指標(biāo)處于現(xiàn)有鈮酸鋰薄膜器件加工的能力范圍之內(nèi)，如圖7(c)所示。該方案也為確定性的光子間相互作用乃至確定性雙光子邏輯門的構(gòu)建提供了理論依據(jù)，一旦實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)，就有望對(duì)光量子信息的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。

04 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，鈮酸鋰基集成器件已經(jīng)展示了其在光量子集成應(yīng)用的突出優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了目前最高亮度的雙光子光源、多自由度和高維度的光子態(tài)高速動(dòng)態(tài)調(diào)控和最高效率的單光子頻率轉(zhuǎn)換，在量子光學(xué)、光量子信息等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用中發(fā)揮了重要的作用；利用摻雜、異質(zhì)集成等技術(shù)，人們實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰基單光子探測(cè)器、存儲(chǔ)器、激光器等集成器件的突破，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰基量子集成芯片奠定了基石。

近年來(lái)，隨著鈮酸鋰薄膜器件的成功制備和飛速發(fā)展，鈮酸鋰基集成器件迎來(lái)了新的機(jī)遇，有望在光信息時(shí)代發(fā)展中成為下一代的光學(xué)“硅”。目前，鈮酸鋰薄膜器件在高效率光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換、高速低功耗電光調(diào)制、聲光調(diào)制、高性能射頻濾波、微腔光學(xué)頻率梳產(chǎn)生等經(jīng)典領(lǐng)域已取得重要突破，引起了學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。在光量子集成方向，鈮酸鋰薄膜器件有望實(shí)現(xiàn)片上光子頻率態(tài)的直接調(diào)控，解鎖具有無(wú)限維度的光子頻率自由度的開(kāi)發(fā)應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)確定性的多光子態(tài)制備和確定性的光子間相互作用，突破片上多光子比特產(chǎn)生和調(diào)控；并最終實(shí)現(xiàn)全功能集成的量子芯片。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，關(guān)鍵在于高質(zhì)量鈮酸鋰集成器件的設(shè)計(jì)、制備和多器件大規(guī)模集成。鈮酸鋰薄膜有望實(shí)現(xiàn)低損耗、高集成的光量子芯片，其制備依賴于高精度的微納加工技術(shù)，需要進(jìn)一步完善器件制備技術(shù)并實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的薄膜器件優(yōu)化設(shè)計(jì)。未來(lái)，晶圓級(jí)光量子芯片制備是一大挑戰(zhàn)，需要從大尺寸鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)、高品質(zhì)鈮酸鋰薄膜制備及晶圓級(jí)光量子器件加工的全鏈條進(jìn)行工藝優(yōu)化與技術(shù)拓展。鈮酸鋰基量子集成技術(shù)的未來(lái)發(fā)展道路曲折且具有挑戰(zhàn)，但材料優(yōu)異的光電特性為未來(lái)高性能量子芯片，特別是多光子、高維度量子芯片的實(shí)現(xiàn)提供了一種極佳的可能。

審核編輯：劉清