[论文解读] A manufacturable platform for photonic quantum computing

Koen Alexander, Andrea Bahgat+93 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2024

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 24

一句话总结

本文展示了一种可制造的基于硅光子学的平台，用于生成、操控、联网和检测光子量子比特，利用300 mm工艺晶圆、集成的 heralded 光子源、SNSPDs 以及先进组件，获得高保真单量子比特与两量子比特操作以及芯片间互连。

ABSTRACT

Whilst holding great promise for low noise, ease of operation and networking, useful photonic quantum computing has been precluded by the need for beyond-state-of-the-art components, manufactured by the millions. Here we introduce a manufacturable platform for quantum computing with photons. We benchmark a set of monolithically-integrated silicon photonics-based modules to generate, manipulate, network, and detect photonic qubits, demonstrating dual-rail photonic qubits with $99.98\% \pm 0.01\%$ state preparation and measurement fidelity, Hong-Ou-Mandel quantum interference between independent photon sources with $99.50\%\pm0.25\%$ visibility, two-qubit fusion with $99.22\%\pm0.12\%$ fidelity, and a chip-to-chip qubit interconnect with $99.72\%\pm0.04\%$ fidelity, not accounting for loss. In addition, we preview a selection of next generation technologies, demonstrating low-loss silicon nitride waveguides and components, fabrication-tolerant photon sources, high-efficiency photon-number-resolving detectors, low-loss chip-to-fiber coupling, and barium titanate electro-optic phase shifters.

研究动机与目标

• 说明对容错光子量子计算和可扩展制造的需求。
• 描述集成光子量子比特的工业可制造技术栈。
• 基准化集成构建模块，包括源、探测器、干涉仪和互连。
• 展示SPAM、HOM干涉、融合和芯片互连的关键性能指标。
• 概述下一代技术以缩小可扩展FBQC的性能差距。

提出的方法

• 使用商业化的300 mm硅光子学工艺，将源、波导、探测器和互连集成到芯片上。
• 在干涉耦合共振腔中使用自发四波混频来产生高谱纯度的带 herald 的单光子。
• 在芯片上集成 NbN SNSPDs 以实现高效光子探测。
• 构建干涉仪、滤波器和热相位调制器以实现可重构量子电路。
• Demonstrate chip-to-chip interconnects and on-chip two-photon interference to benchmark fidelity and visibility.
• 探索级联谐振腔光源、波导集成的 PNRDs、低损耗 SiN 波导以及 BaTiO3 电子光调相位调制器等下一代器件。

实验结果

研究问题

• RQ1 商业硅光子制造流程是否能支持芯片上生成、操控和检测光子量子比特？
• RQ2 在可制造平台上，单量子比特态制备/测量、芯片间网络、两光子干涉和两量子比特融合可达到的保真度是多少？
• RQ3 在当前技术栈下，集成光子元件能否接近容错量子计算的要求？
• RQ4 哪些下一代技术对解决FBQC的损耗、速度和可扩展性可行？
• RQ5 在完全集成的基准电路设置中，集成的 heralded 光源和探测器表现如何？

主要发现

指标	实验值 (%)
Single-Qubit SPAM fidelity	99.98±0.01
Chip-to-chip fidelity	99.72±0.04
Two-Photon interference visibility	99.50±0.25
Bell fusion fidelity	99.22±0.12

• 单量子比特 SPAM 保真度：99.98% ± 0.01%。
• 芯片间保真度：99.72% ± 0.04%。
• 独立源之间的 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度：99.50% ± 0.25%。
• 两量子比特贝尔融合保真度：99.22% ± 0.12%。
• demonstrated fully integrated heralded single photon source (on-chip source, filter, heralding detector).
• 展示下一代技术包括级联谐振腔源在某些假设下达到高达99.7%纯度、波导集成的PNRDs具高光子数分辨率、低损耗SiN波导，以及 BaTiO3 电子光学相位调制器等。