單光子傳感器如何用于量子計算？

單光子傳感器，也稱(chēng)為單光子探測器 （SPD），能夠精確檢測和縱單個(gè)光子，這些光子可以用作光子量子計算機 （PQC） 中的量子信息載體或量子比特。PQC 是一種基于測量的量子計算 （MBQC），有望實(shí)現高度可擴展的系統，并在室溫下運行。

PQC 中的計算不是使用量子門(mén)，而是依賴(lài)于高度糾纏的量子態(tài)（稱(chēng)為簇態(tài)）的局部測量。這需要單光子傳感器。除了在室溫下運行之外，與復雜的多量子比特門(mén)相比，PQC 中的計算預計更易于實(shí)現。

單光子傳感器支持 PQC 中的多種作，包括：

• 檢測光子的相關(guān)行為以驗證其糾纏狀態(tài)。

• 讀取以光子編碼的量子比特的量子態(tài)。

• 使用量子隱形傳態(tài)和糾纏光子在量子比特之間傳輸信息。

PQC 研究人員面臨的一個(gè)主要挑戰是開(kāi)發(fā)可在室溫下工作的單光子探測器。超導納米線(xiàn)單光子探測器 （SNSPD） 因其高效率和靈敏度而成為目前最常見(jiàn)的探測器。還使用了雪崩光電二極管 （APD）。APD 可以在室溫下工作，但大多數 APD 缺乏 PQC 應用所需的靈敏度。正在努力開(kāi)發(fā) APD 的新方法，以提高性能，同時(shí)保持室溫運行。

典型 SNSPD 的框圖如圖 1 所示。偏振控制器轉發(fā)偏振光子，衰減器控制平均光子數，并且需要一個(gè)低溫冷卻器來(lái)支持單光子檢測。在 SNSPD 的輸出側，偏置器將直流偏置電流傳遞到器件，并將交流信號從器件傳遞到放大器，放大器將結果饋送到光子計數器。

圖 1.典型 SNSPD 的框圖。（圖片：ScienceDirect)

SNSPD 通常使用氮化鈮 （NbN） 制造，并在低于 4 K 的溫度下運行。與當前的 APD 設計相比，它們具有幾個(gè)重要的性能優(yōu)勢，包括 GHz 速率計數（光子可以記錄的速率）、超過(guò) 90% 的高探測效率（實(shí)際探測速率與入射光子數量相比）、10 的低暗計數率?4Hz（在沒(méi)有光子的情況下發(fā)生的誤檢測事件）、低于 5 ps 的小抖動(dòng)（探測器在光子到達后記錄光子的時(shí)間變化）和非?？斓?10 ps 重置時(shí)間（連續光子檢測事件之間的滯后）。

室溫光子傳感器

已經(jīng)證明了一種在 300 K 下運行的正常入射鍺硅 （GeSi） 單光子雪崩光電二極管 （SPAD）。預計它將支持使用短波紅外 （SWIR） 光子的室溫 PQC作。該器件已針對與光子集成電路 （PIC） 的集成進(jìn)行了優(yōu)化，旨在支持未來(lái)幾代 PQC。

SPAD 使用基于硅晶片的絕緣體上硅 （SOI） 和硅基鋏 （GOS） 技術(shù)，通常用于硅光子學(xué) （SiPh） 器件，以實(shí)現互補金屬氧化物半導體 （CMOS） 制造兼容性。300 K 下的波導 GeSi SPAD 和 4 K 下的 SNSPD 的性能一樣好。

波導 GeSi SPAD 具有簡(jiǎn)單的結構，如圖 2 所示，可以使用自上而下或自下而上的工藝制造。無(wú)論哪種情況，Al 后鏡都是通過(guò)氧化物蝕刻在波導 GeSi SPAD 的末端形成溝槽，然后沉積和圖案化 Al 作為后鏡來(lái)制造的。

圖 2.室溫波導 GeSi SPAD 結構和材料。（圖片：APL Quantum）)

總結

使用 SPD 的 PQC 是一種基于集群狀態(tài)的 MBQC，與使用多量子比特門(mén)的量子計算機相比，預計更容易實(shí)現。SPD 支持實(shí)施 PQC 所需的量子檢測、讀取和信息傳輸。目前基于 NbN 的 SNSPD 具有高性能，但必須在低于 4 K 的溫度下運行。正在開(kāi)發(fā)與 SiPh 器件兼容的室溫 GeSi SPAD，并提供與低溫 SNSPD 相當的性能。