集成量子光源获得新突破

8月22日，深圳国际量子研究院研究员刘骏秋研究团队，基于可工业级量产的超低损耗氮化硅波导，在集成量子光源构建方面取得新进展，相关研究成果发表于《物理评论快报》。研究团队利用超高品质因子微腔，该集成光源产生光子对的线宽达到原子跃迁线量级，且其亮度为迄今硅基集成光学平台的最佳纪录。

量子信息为信息的产生、传递和处理提供了全新范式，光子是量子信息最重要的载体之一。目前，大规模光量子信息处理系统均基于自由空间光学或光纤光学构建，其可扩展性仍面临较大挑战。

集成光学是一项可以利用光子集成线路实现光信号的合成、处理和探测的技术。近年来，基于光芯片的光量子信息处理逐步进入人们视野。相关研究大多基于目前最主流的商用硅光平台，但硅波导超过每厘米1分贝的损耗严重限制了其开展“光子级”实验的能力。

氮化硅材料的引入为这一应用场景提供了极佳的解决方案。氮化硅光芯片的加工能够完全兼容当下标准CMOS硅芯片工艺，并实现了低至0.01分贝每厘米的线性损耗。

此前，刘骏秋团队实现了超低损耗氮化硅集成光学技术的“工业级大规模量产”转化，基于6英寸晶圆，成功得到厚度超过800纳米、光损耗低至0.02分贝每厘米的氮化硅光芯片，良率接近100%。

近年来，有关超低损耗氮化硅波导用于芯片光量子信息调控尚未有实质性进展。对此，刘骏秋团队从窄线宽量子光源的构建切入，设计加工了用于此的高品质微腔，其本征品质因子超过十的七次方。通过腔内自发四波混频，研究团队制备出线宽低至25.9兆赫兹的光子对，这是芯片集成窄线宽量子光源首次达到原子跃迁线量级。与此同时，由于微腔带来的非线性效应增强，该光源亮度达到1.17×10⁹Hz/mW²/GHz，为目前硅基集成光源最高纪录。

基于此光源构建的预报单光子源二阶关联低至0.0037，能量-时间纠缠态干涉可见度达到0.973，均达到目前芯片集成同类光源最优水平。

该集成量子光源的线宽与诸多原子跃迁线匹配，使得片上紧凑高效的光子-原子界面构建成为可能，对基于量子中继器的量子互联网大规模部署具有重要意义。此外，该研究以实验展示了工业级量产超低损耗氮化硅波导在集成光量子调控方面的巨大潜力，为大规模集成光量子信息调控的发展奠定了坚实基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.083803

基于微腔的光子对产生示意图 研究团队供图