[论文解读] 20-Mode Universal Quantum Photonic Processor

Caterina Taballione, Malaquias Correa Anguita+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Optical Network Technologies被引用 7

一句话总结

本论文展示了一款基于氮化硅（Si₃N₄）的20模式通用量子光子处理器，采用TripleX技术制造，实现了97.4%的Haar随机保真度和99.5%的排列保真度，平均插入损耗为2.9 dB，HOM可见度达98%。该器件通过Peltier冷却器实现主动热稳定，支持可扩展、可重构的线性光学处理，适用于通用光子量子计算。

ABSTRACT

Integrated photonics is an essential technology for optical quantum computing. Universal, phase-stable, reconfigurable multimode interferometers (quantum photonic processors) enable manipulation of photonic quantum states and are one of the main components of photonic quantum computers in various architectures. In this paper, we report the realization of the largest quantum photonic processor to date. The processor enables arbitrary unitary transformations on its 20 input modes with an amplitude fidelity of $F_{ ext{Haar}} = 97.4\%$ and $F_{ ext{Perm}} = 99.5\%$ for Haar-random and permutation matrices, respectively, an optical loss of 2.9 dB averaged over all modes, and high-visibility quantum interference with $V_{ ext{HOM}}=98\%$. The processor is realized in $\mathrm{Si_3N_4}$ waveguides and is actively cooled by a Peltier element.

研究动机与目标

• 展示迄今最大的通用量子光子处理器，实现20个模式的全可重构性与高保真度单位变换。
• 验证大规模、低损耗、相位稳定的集成光子平台在通用量子计算中的性能表现。
• 通过与其他材料对比性能基准，确立化学计量比氮化硅为可扩展、低损耗、高保真度量子光子处理器的最优平台。
• 通过全编程化、高可见度干涉仪，推动量子模拟、量子计量学和量子神经网络的实际应用。

提出的方法

• 该处理器基于通用方形干涉仪架构，包含380个热光可调元件，构成可重构的马赫-曾德尔干涉仪网络。
• 器件在具有非对称双条带截面的化学计量比Si₃N₄波导中制造，最小弯曲半径为100 µm，以最小化传播损耗。
• 通过Peltier冷却系统实现主动热稳定，以维持相位稳定并减少温度引起的漂移。
• 通过集成加热器调节每个干涉单元的相位延迟和分束比，实现单位变换。
• 通过Hong-Ou-Mandel（HOM）凹陷测量表征量子干涉，利用高斯拟合对干涉条纹进行可见度量化。
• 通过逐模式注入光信号并检测对应输出，测量插入损耗，包括片上损耗和光纤-芯片耦合损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 在集成Si₃N₄技术下，全可重构、低损耗、高保真度量子光子处理器的最大输入/输出模式数是多少？
• RQ2 与现有平台相比，20模式通用处理器在保真度、损耗和量子干涉可见度方面的性能表现如何？
• RQ3 通过Peltier冷却器实现的主动热稳定在多大程度上提升了大规模光子量子处理器的相位稳定性和操作保真度？
• RQ4 基于Si₃N₄的通用量子光子处理器是否能以高保真度在所有模式上实现任意单位变换，经由Haar随机矩阵和排列矩阵验证？
• RQ5 在当前每个单元的损耗水平下，Si₃N₄基处理器在传输降至e⁻¹之前，其可扩展性的极限尺寸是多少？

主要发现

• 20模式量子光子处理器实现了97.4%的Haar随机单位变换保真度，证明了高保真度任意线性变换能力。
• 所有20个模式的平均插入损耗仅为2.9 dB，包含片上传播损耗和光纤-芯片耦合损耗。
• 99.5%的排列矩阵保真度证实了处理器实现高精度、确定性光学变换的能力。
• Hong-Ou-Mandel干涉可见度达到98%，表明高质量量子干涉及量子相干性的良好保持。
• 处理器在超过1,000种不同的单位变换中保持高可重构性，证实了控制的鲁棒性与稳定性。
• 结果表明，Si₃N₄基处理器是可扩展性最强的平台，在传输降至e⁻¹之前可支持最大的有效处理器尺寸，优于绝缘体上硅和二氧化硅平台。