光子盒研究院出品
在量子計算中，光量子處理器與其他類型的量子比特相比，仍然缺乏量子比特的數量。但是，由于它們在擴大光量子處理器的規模方面具有潛力，是以它們具有前景。
對于一個全功能的光量子計算機，光子必須被生成、處理和檢測。生成是通過一個量子光源實作的，它産生的單光子可以被用來加密資訊。線性光學的組合形成了必要的量子門，這些量子比特的資訊在這裡被處理。最後，高效的單光子檢測器檢測這些光子，讀取資訊。
光量子計算的神奇之處在于，所有這些構件都可以在光子內建電路（PIC）中實作。不同的有前途的平台可以為上述過程服務，如絕緣體上的矽（SiO2）、絕緣體上的矽（Si）、氮化矽（Si3Na4）、铌酸锂（LN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）……不可避免的是，每個平台的屬性都是不同的；每個平台也都提供了不同的理想功能。需要有創新的解決方案，允許将這些平台組合成混合PIC。
在不久的将來，我們将看到混合平台的興起，它将不同的光子技術結合成一個單一的功能單元，并可以設法克服單片光子電路的限制。
01
內建單光子源
在晶片上生成單光子及其狀态對于所有基于光子的量子應用是至關重要的。值得注意的是，通過主動将單光子流解複用（demultiplexing）為不同的空間模式，可以為量子計算和進階量子傳感的可能性打開了大門。
Quandela（法國巴黎）是一家量子光源開發商和光子量子計算解決方案供應商，他們的量子點就朝着這個方向努力，量子點是無差别單光子的高效來源。量子點是完全內建在半導體材料上的“人造原子”，遵循标準的半導體技術。
Quandela公司的獨立單光子源——Prometheus
公司通過其首個獨立的量子光源Prometheus使這一目标更進一步。專利的光纖辮子技術可以在一個即插即用的19英寸機架中實作高度內建，為量子資訊處理提供高品質的光子量子比特。
Sparrow Quantum（丹麥哥本哈根）提供了一個單光子源晶片，作為高效光子生成的可擴充解決方案；該晶片基于GaAs平台，在光子晶體納米結構中嵌入InAs量子點。對量子點周圍環境的精确控制使得單光子生成的保真度達到了世界最高水準，并實作了多光子互相作用。Sparrow Quantum的下一步是開發一個使用者友好的單光子源，實作即插即用的體驗。
02
內建的單光子檢測器
對單光子的片上檢測可以實作量子資訊的最終讀出。目前有幾種單光子檢測器技術，如雪崩光電二極管和超導納米線單光子檢測器（SNSPD）。
Pixel Photonics公司（德國）已經開發了一種将SNSPD內建到納米光子波導上的方法。該技術與波導材料無關，允許将高度并行、高效和超快的單光子檢測與各自應用的首選量子光子平台整合。檢測器的幾何形狀可以很容易地針對任何需要的波長進行優化，從紫外線（UV）到大約2微米。通過将無源（如氮化矽）或有源（如铌酸锂）量子光子元件與SNSPD的卓越功能相結合，Pixel Photonics的技術本質上适合于晶圓級制造，使需要高效單光子檢測的量子光子應用的內建度達到了一個新水準。
03
用于量子通信的內建光子學
KETS量子公司（英國布裡斯托爾）的量子安全使用內建光子學晶片，使靈活、經濟和強大的解決方案得以大規模部署，甚至可以部署在最具挑戰性的環境中。在過去的五年裡，KETS已經與包括電信、政府、國防和金融等不同領域的一些晶片組織接觸，幫助他們用量子安全的密碼解決方案保護他們的系統和資料。他們的技術将量子安全硬體小型化，其尺寸、外形和價位都能為量子時代的發展提供保障。
具體來說，KETS已經與空客和其他合作夥伴合作，成功展示了無人駕駛飛行器（UAV）和地面站之間的量子安全通信——這是邁向衛星量子密鑰分發（QKD）的重要一步。他們基于晶片的平台在非常具有挑戰性的尺寸、重量和功率（SWaP）限制下提供了一個原型解決方案，并展示了在日光條件下通過高損耗的自由空間鍊路（約25分貝）用千兆赫操作的發射器生成安全密鑰。
在電信領域，KETS是ParisQCI的唯一量子加密硬體供應商，這是邁向更大的、跨越整個歐盟的安全量子通信基礎設施的第一個區域步驟之一。為了在全球範圍内推廣這項技術，“建立一個标準化的量子安全網絡架構”（BaSQuaNa）項目是英國和加拿大的合作項目，其總體目标是開發第一個跨大西洋的QKD通信網絡。
資料中心是任何資料驅動的世界的重要方面。KETS正在共同上司一個新宣布的1160萬英鎊的未來量子資料中心ISCF項目；它最終将使用KETS的開發工具包作為核心構模組化塊開發原型內建，并與終端使用者一起測試和完善它們的完整應用。
04
可程式設計量子晶片和基于光子學的量子處理器
光子計算和處理在所謂的超越摩爾方法的範圍内占據了領先位置。由內建光子學實作的對光波的振幅、相位和波長的控制操縱是對僅使用電子的既定電子數字計算範式的根本性進步。
iPronics的光子處理器運作于量子計算應用
iPronics（西班牙瓦倫西亞）推出了第一個可程式設計的光子處理器，具有廣泛的應用，包括5/6G、通信、傳感和計算。在光子計算方面，這項技術探索了光幹擾，以超快和并行的方式進行矩陣向量乘法。通過整合單光子雷射器和光電探測器，這些功能可以直接應用于量子計算。這将允許實作量子邏輯門——量子計算的一個關鍵推動因素。這些量子門的可程式設計性是通過一個使用者友好的軟體平台實作的，它釋放了可程式設計光子學的全部潛力。
QuiX Quantum公司即将推出的52種模式的量子光子處理器的照片。該系統包含2652個可調諧元素，能夠對處理器進行重新配置和程式設計。
QuiX Quantum（荷蘭）是光子量子計算硬體的全球市場上司者，這得益于其基于氮化矽波導的成熟基礎技術。他們開發和銷售市場上最強大的量子光子處理器：這些處理器已經成為整個歐洲光子量子計算的事實上的标準。QuiX使用的專利TriPleX氮化矽平台提供了一種可擴充的量子計算方法，具有室溫操作的優勢；它有可能用于個性化醫療、自動駕駛汽車和能源儲存等應用。該公司的下一步是擴大他們的量子光子處理器技術，實作光子量子計算架構，以及對其完整系統之一的雲通路，在那裡将有可能運作特定的量子計算任務。
SiPhotonIC（丹麥）旨在為商業客戶和研究實驗室帶來快速和精确的量子光子內建電路（QPIC）原型設計。該公司設計和制造基于220和250納米矽絕緣體（SOI）技術的定制QPICs。該平台是為量子光子應用定制的低損耗光子元件開發的。根據客戶的要求，它依賴于深紫外和電子束光刻工藝，交貨時間少于1至3個月，這對于需要少量SOI樣品的快速研發疊代周期來說非常有吸引力。對于定制的QPIC項目，可以考慮其他材料和工藝。該公司還通過第三方提供按需的額外後端服務。
SiPhotonIC在為國際知名研究團隊和公司制造QPIC方面有着良好的記錄，并在頂級期刊上發表文章。具有名額意義的是，光的量子态的生成或采樣、量子傳送、量子糾纏、QKD、防錯量子比特以及其他量子通信和量子光子計算概念已經通過使用新光資訊的SOI平台的QPIC進行了示範。
SiPhotonIC開發的最複雜的系統之一是為多元量子糾纏設計的單一可程式設計QPIC。為實作這一目标，它們制作了一個可程式設計的光子晶片，将超過550個光子元件內建到一個晶片上，包括16個相同的光子對源。該多元系統展示了以前未曾探索過的量子應用，如量子随機性擴充和多元狀态的自我測試。
SiPhotonIC的擴充目标包括釋出基于最先進的氮化矽（SiN）和铌酸锂薄膜（TFLN）技術的專有平台，用于量子和經典應用的光子原型設計，以及産品開發。該公司的目标應用包括量子光子計算、量子通信和量子感應。
05
高度靈活、低損耗的光子多晶片內建
在一個功能齊全的光量子計算機中，需要整合上述有前景的平台來産生、處理和檢測光子。Vanguard Automation公司（德國）的光子線鍵合和3D列印微透鏡技術将這些不同的光學內建平台的互補性結合到先進的光子多晶片子產品中，進而實作了達到全功能光量子計算機的挑戰性要求所需的緊湊性、高性能和巨大的設計靈活性。該技術依靠高度精确的直寫式三維雷射光刻技術，在光學晶片之間列印自由形狀的單模波導，進而為實作完全自動化的光子封裝提供了路徑，直至大規模生産，而不需要主動對準。
三維納米列印也可用于在光學晶片和光纖上制造面狀的光束塑造元件，進而實作高對準公差的低損耗耦合，并用于光學器件的晶圓級探測。光子線束和3D列印的微透鏡已經在量子應用中展示了它們的能力。
形成單模光纖和矽波導之間低損耗連接配接的光子線鍵（藍色顯示）的電鏡圖像。
最後，盡管這些工作大多處于發展階段，但從目前取得的進展來看，我們顯然正在進入量子計算和量子通信的範式轉變，并處于第二次量子革命的邊緣。
參考連結：
https://www.laserfocusworld.com/optics/article/14282714/integrated-photonics-for-quantum-applications