【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所李浩、尤立星團隊在低溫光量子芯片方面取得重要進展。面向集成光量子計算、量子互連等應用需求，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應用演示，相關成果以“On-chip superconducting nanowire single-photon detectors integrated with pump rejection for entanglement characterization”為題發表于中國科學院一區學術期刊Photonics Research上。
低溫光量子技術可用于低溫信號高保真讀出、跨平臺量子系統互連等，在量子計算和經典高性能計算融合發展的趨勢下愈發關鍵。超導納米線單光子探測器(SNSPD)憑借近理想探測效率、納秒級響應速度及極低暗計數率，已成為構建光量子技術體系的關鍵組件。實現SNSPD異質集成的光量子芯片，可大幅降低芯片間光子耦合損耗，在提升系統集成度的同時顯著增強量子操作保真度與可擴展性。微環諧振器等片上量子光源通常需要使用毫瓦級泵浦光激發，導致單光子信號易受泵浦噪聲淹沒。因此，協同實現高抑制比泵浦濾波和單光子探測是進一步解鎖低溫光量子芯片集成度和應用的重要突破口。本工作中，研究團隊提出了硅基無源泵浦濾波器與SNSPD的單片異質集成方案(如圖1)。該方案采用交錯布拉格光柵結構作為無源泵浦濾波器，兼容低溫工作環境的同時對SNSPD制備過程中引入的額外工藝步驟容忍度大，適合進行級聯以獲得高抑制比。實驗測得片上SNSPD在1550 nm波段實現飽和探測，系統探測效率達到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，展現了該異質集成芯片的優異性能(圖2)。
圖1 芯片結構示意與電子顯微鏡圖。
圖2 片上泵浦濾波器與SNSPD性能表征結果。
為了驗證該芯片的能量-時間糾纏接收功能，研究團隊將微環中自發四波混頻產生的能量-時間糾纏光子對經過波分復用器后分別發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到92.85% ± 5.95%與91.91% ± 7.34%(如圖3)，違背了貝爾不等式，完成低溫光量子芯片間的糾纏分發演示應用，展現了其在未來量子糾纏分發網絡中的應用潛力。
圖3 Franson雙光子干涉實驗結果。
論文第一作者為上海微系統所博士研究生舒志運，通訊作者為上海微系統所李浩研究員。上海微系統所尤立星研究員、清華大學張巍教授等對本工作進行了深入指導。該研究得到了科技創新2030重大項目 (2023ZD0300100)、上海市量子重大專項 (2019SHZDZX01)、國家自然科學基金(61971408, 12033007, 92365210, U24A20320)以及中國科學院青年促進會項目(2020241, 2021230)的資助。
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