基于芯片的纠缠光电源加速走向实用化,量子硬件有望摆脱“光学台”依赖

richlovec 1500_400 (1)
 

量子光子硬件长期依赖体积大、对准复杂且相对脆弱的外部光源,相关装置往往需要搭建在光学台上,难以像常规电子器件一样集成部署。近期,多项研究围绕电驱动、基于芯片的纠缠光子发射器展开,目标是把纠缠光的产生与操控环节直接纳入半导体平台,并以与智能手机、数据中心类似的电信号进行驱动,从而推动量子处理器与量子网络节点向可封装、可接线的工程形态演进。

德国与荷兰研究团队率先展示了将纠缠光子对“生成工厂”集成到单一光子平台的可行路径。与传统依赖独立激光器和非线性晶体的方案不同,该架构把纠缠光子对的生成、引导与处理环节放在同一芯片内完成。相关结果表明,集成波导与谐振腔能够在符合标准半导体制造尺寸约束的同时,维持纠缠所需的关键关联特性,为全芯片纠缠光源从概念走向可用器件提供了验证。

在完成原理验证后,研究重点进一步转向效率提升。另一项研究报告称,其芯片纠缠光源的纠缠对生成效率较早期集成设计提升约100倍,使单位功率与单位芯片面积可获得的可用量子态数量显著增加。研究人员认为,这类进展有助于把集成纠缠光从脆弱的实验演示推进为具备扩展潜力的平台。

电驱动被视为纠缠光源工程化的关键环节之一。为减少外部泵浦激光器带来的成本、复杂度与对准需求,有研究提出并展示了电驱动、无后选的混合集成偏振纠缠光子源(EPS)。该方案将分布反馈(DFB)激光器与非线性光子电路集成为单一混合系统,使器件能够以紧凑的电驱动芯片形态工作,并在封装与接线方式上更接近常规光电组件。研究指出,这种集成方式不仅简化系统搭建,也有助于提升稳定性、改善散热,并与控制电子设备实现更紧密的协同。

在性能指标方面,上述电驱动研究给出了亮度与对生成率等关键数据:估计亮度达到 6.2 × 10^8 对/秒/纳米/毫瓦;在相关光谱范围内积分后,对生成率(PGR)为 4.5 × 10^10 对/秒/毫瓦。研究称,这些指标相较部分早期集成光源提升达六个数量级。相关数据被用于衡量单位带宽与单位泵浦功率下的纠缠对产出能力,并与量子协议所需的吞吐量直接相关。

随着纠缠光源更趋实用,研究也在探索提升单个光子可承载信息量的路径。相关工作提出通过轨道角动量、空间模式结构与时间槽编码等方式实现“量子结构化光”,以多维度编码提升单对纠缠光子的信息承载能力,从而提高量子链路与处理器的容量。

与此同时,面向高速操控的光子芯片也在推进。有研究报道将铁电钛酸钡与氮化硅波导结合,用于实现高带宽调制器与开关,并将其定位为支持可扩展量子计算的关键器件之一。研究人员认为,若将此类超高速组件与芯片内纠缠光源进一步集成,有望在单一平台上实现从生成、操控到检测的更完整光子量子硬件链路。

综合多项进展,量子技术的硬件路线正朝着“基于芯片、由电驱动”的方向收敛:从德国与荷兰的全集成纠缠光源,到效率提升100倍的芯片方案,再到集成DFB激光器的电驱动EPS与其亮度、PGR指标,相关研究均指向可利用现有半导体制造、封装与部署体系的量子器件形态。纠缠光作为量子密钥分发、分布式传感与时钟同步等应用的基础资源,其供给方式若能实现小型化与规模化,将为量子计算与量子网络的工程落地提供更可复制的硬件基础。


分享:


发表评论

登录后才可评论。 去登录