基于量子点确定性光源的最大规模混合集成光量子芯片

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室张加祥研究员、欧欣研究员联合中山大学刘进教授、中国科学技术大学霍永恒教授团队在Nature Materials发表了题为 “Large-scale quantum-dot–lithium-niobate hybrid integrated photonic circuits enabling on-chip quantum networking” 的最新研究成果。

该团队创新性地实现了基于固态原子（半导体量子点）确定性单光子源与低损耗铌酸锂薄膜的混合集成光量子芯片，并提出基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的片上局域应力调控技术，实现了量子点单光子源宽范围、高动态、可逆的光谱精细调谐。同时，团队发展出基于“微转印”工艺的百纳米精度混合集成技术，实现了多达20个确定性量子点单光子源的同步片上集成与光谱调谐。通过材料功能创新与混合芯片架构突破，研究团队首次在混合集成光量子芯片上实现了空间分离的量子点单光子源之间的片上量子干涉互联，为构建可扩展的片上量子网络奠定了重要基础。

大规模半导体量子点-铌酸锂薄膜混合集成光量子芯片

与传统微电子芯片的发展路径类似，光量子芯片的出现是推动光量子信息技术走向实用化的必然趋势。当前主流光量子芯片主要依赖基于非线性光学过程的概率性光源产生单光子信号，因光子发射具有“几率”特性，导致发射效率低、多光子量子比特制备困难。相比之下，固态原子（如自组装量子点、金刚石色心等）具有类原子的二能级结构，可实现确定性、高效率的单光子发射，是实现片上多光子量子比特制备的理想光源。然而，固态量子光源仍面临频率非均匀展宽与缺乏高效混合集成技术等关键瓶颈，严重限制了其在大规模片上集成与量子网络互联中的应用，成为光量子芯片实用化进程中的核心挑战。

而该研究结合自组装量子点与铌酸锂这两种在光学研究领域中具有巨大优势的量子材料，针对光量子芯片中多光子态扩展化制备这一长期存在的难题，创新“微转印”混合芯片集成工艺，实现20个量子确定性量子光源与低损耗铌酸锂光子芯片的混合集成，构建了目前国际上基于量子点确定性光源的最大规模混合集成光量子芯片。

针对片上固态量子体系（如量子点、金刚石色心等）固有的非均匀展宽问题，提出基于铌酸锂薄膜铁电畴工程的新型直流电压驱动局域应力调控技术，实现五个关键特性集成：芯片集成、宽域调谐、4K低温兼容、超低功耗（mW量级）以及可逆调控，这一方法不仅拓展了铌酸锂材料除电光调制和声表面波之外片上量子调控这一新功能维度，为其它新兴铁电薄膜材料，如钛酸钡（BTO）、钛酸锶（STO）等在片上量子调控应用提供关键技术指导。

其关键突破点在于以下三个方面：

• 提出铌酸锂薄膜上应力调控新机制，实现片上应力动态调控量子点确定性单光子源，光谱调谐范围达到7.7 meV，超过量子点单光子变换极限线宽三个数量级；

• 发展出百纳米级精度的“微转印”混合集成工艺，实现多达20个量子点确定性单光子源的片上同时集成和光谱调谐，基于该平台，实现片上不同量子点单光子源的量子干涉互联，片上互联距离0.48 mm，干涉可见度73%；

• 基于铌酸锂铁电畴工程的片上应力调控技术具有4K低温兼容、应力输出温度不敏感、空间局域和超低功耗输出等优异特性，支持千量级量子点光源的同时芯片集成，为片上扩展化多光子资源制备提供重要技术路线。

值得一提的是，该平台具有进一步扩展潜力，当前量子点单光子源的片上集成密度可达 67 个/mm, 因此厘米级芯片可容纳 1000+量子通道。此外，单通道量子点单光子源局域应力调控仅需要微瓦功率损耗，相比硅光子芯片中毫瓦功耗的热光调控降低了三个数量级，其低温兼容性和微瓦级功耗，可实现超导纳米线单光子探测器的同时芯片集成。

研究团队还表示，未来还可进一步利用铌酸锂材料的高速电光效应，实现片上光子的高速路由与纠缠分发，这一成果为实现容错线性光量子计算与可扩展量子互联网提供了全新技术方案。