APL Quantum | 基于锗硅单光子雪崩二极管的集成硅基光电子室温光量子计算

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引言
光量子计算(PQC)已成为实现量子信息处理的一种有前途的方法。传统上，PQC系统主要依赖于低温环境，主要是因为需要使用超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)。然而，锗硅(GeSi)单光子雪崩二极管(Spads)的最新进展为室温PQC提供了新的可能。本文探讨了使用光电子集成芯片和GeSi SPADs进行室温PQC的概念，强调在革新量子计算研究和开发方面的潜力[1]。

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室温PQC范式
8 R3 u1 [7 M2 i  p8 t( D提出的室温PQC范式利用了GeSi SPADs和光电子集成芯片的最新发展。与低温系统相比，这种方法提供了多项优势，包括提高测试吞吐量、缩短设计迭代周期和简化系统集成。
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* R/ c# Q7 p' f- G图1：基于硅基光电子的室温PQC范式示意图，利用单光子的路径自由度。
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  s8 _" D" z* C6 y: {$ i室温PQC系统的主要组成部分包括：

量子源：通过硅-绝缘体-硅(SOI)环形谐振器中的自发四波混频(SFWM)产生单光子。

量子线路：使用级联的马赫-曾德尔干涉仪(MZIs)实现的可编程干涉仪网格(FPIM)操纵单光子的路径。

量子探测器：在室温下工作的波导GeSi SPADs作为单光子探测器(SPDs)或光子数分辨探测器(NPDs)。
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波导GeSi SPAD设计
, N' j$ q& D/ G$ t( |: e室温PQC系统的核心是波导GeSi SPAD。该器件基于最近在室温下演示的垂直入射GeSi SPAD。提出的设计旨在实现高量子效率(QE)和低暗计数率(DCR)，同时保持与标准硅基光电子制造工艺的兼容性。
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图2：(a)提出的波导GeSi SPAD的俯视图和(b)横截面图。

波导GeSi SPAD设计包含几个关键特征：

台阶耦合器：连接SOI波导和Si层，实现高效光耦合。

多模干涉(MMI)：允许光场在波导中垂直振荡，增强Ge层吸收。

铝背反射镜：增加有效吸收长度，最小化器件占用面积。
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8 j% i& ~, x% `5 C量子效率优化
为最大化波导GeSi SPAD的性能，进行了大量模拟以优化量子效率。

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图3：(a)无Al背反射镜的提议波导GeSi SPAD的QE，(b)有Al背反射镜时的QE，以及(c)在1550 nm和1310 nm波长中心的光谱QE。

优化过程揭示：
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在1550 nm和1310 nm波长处均可实现大于95%的QE。

添加Al背反射镜显著提高了QE并减少了器件长度。

仔细选择耦合器长度、间隙长度和Ge长度对于获得最佳性能非常重要。
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暗计数率缩放
+ j, \( V5 n; e/ P$ N$ f开发室温SPADs的一个关键挑战是管理暗计数率。通过分析参考光电二极管的数据，可以估算提议的波导GeSi SPAD的DCR。
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图4：GeSi PD在-1 V反向偏置下的暗电流，按其有源区周长归一化，绘制为有源区直径的函数。

分析结果显示：

表面暗电流密度：4.12 μA/cm2

体暗电流密度：0.7 nA/cm

估计的DCR：在1 V过偏压时约为0.8 MHz，在2 V过偏压时约为1.6 MHz
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& _8 L% o3 n& {& Q8 G* g这些值代表了文献中报道的最低水平，使GeSi SPADs能够在室温下运行。

PQC性能基准
" t: s% ^& ?: E为评估GeSi SPADs在PQC应用中的适用性，提出了新的性能指标，更好地反映了量子计算系统的要求。这些指标侧重于在存在暗计数的情况下忠实检测光子态的能力。

& v4 h' T3 J; ^/ ]2 F/ D" M对于基于光子的PQC：

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8 N& C3 n) V" I/ F. W* k图5：(a)成功检测N光子态的概率，(b)检测N光子态的保真度，(c)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之间的成功概率差异，以及(d)保真度差异。

2 z& ]3 N/ O+ C' X: L对于基于量子位的PQC：
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图6：(a)使用300 K GeSi SPADs成功检测N量子位态的概率和保真度，(b)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之间的成功概率和保真度差异。

- O' w9 o- E# C  X+ B: |( W性能分析的主要发现：

由于假设的单光子探测效率(SPDE)较高，300 K GeSi SPADs的成功概率比4 K NbN SNSPDs高几个百分点。

300 K GeSi SPADs的保真度仅比4 K NbN SNSPDs低0.0084%。

高单光子探测效率(SPDE)在PQC性能中起着关键作用，而超低DCR并不像之前认为的那样重要。
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3 y1 Z1 }6 }4 Z; a- l) k0 a) b$ c这些结果表明，当考虑适当的性能指标时，室温GeSi SPADs在PQC应用中的表现可与低温NbN SNSPDs相媲美。
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) L$ u  o" S  y: g* g- v光子数分辨探测器
为实现光子数分辨能力，提出了两种基于空间复用波导SPD阵列的波导NPD配置：

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/ o0 u: C; F% g6 h0 w# I图7：基于空间复用波导SPD阵列的波导NPD可能配置。(a)星型耦合器方法，(b)级联波导耦合器方法。
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星型耦合器方法：输入SOI波导与星型耦合器对接，后者将光导向波导SPD阵列。

级联波导耦合器方法：输入SOI波导与侧波导进行波导耦合，然后耦合到波导SPD阵列。
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4 ^- t" u' k8 U# i. v这两种配置都能够创建适用于基于光子的PQC方案的NPDs。
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未来方向和挑战
* K. c& z% ~2 C虽然提出的室温PQC范式显示出巨大潜力，但仍存在几个挑战和未来研究机会：
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中红外(MIR)操作：探索基于MIR的量子光学，以减轻短波红外(SWIR)波长下SOI波导中的双光子吸收效应。

替代材料：研究基于GeSn on Si、GeSn on Ge on Si和应变超晶格on Ge on Si的SPADs，以扩展波长覆盖范围。

制造和集成：开发和优化波导GeSi SPADs的制造工艺，并将其与现有硅基光电子平台集成。

扩展和系统级演示：实现大规模室温PQC系统，并展示具有实际优势的量子算法。
8 v0 K; l' X: L" ~% k3 {$ t
# V" o9 u4 V  b. r5 g结论
: r6 g( }& t% I: t基于光电子集成芯片和波导GeSi SPADs的提议室温PQC范式为无低温量子计算提供了有前景的道路。通过利用GeSi SPAD技术的最新进展并仔细优化器件设计，可以在室温下实现与低温系统相当的性能。这种方法有潜力显著加速实用量子计算系统的开发和部署，为量子信息处理及其在各个领域的应用提供新的可能性。

4 M6 M! Q6 \" l5 _参考文献
[1] N. Na, C.-Y. Hsu, E. Chen, and R. Soref, "Room-temperature photonic quantum computing in integrated silicon photonics with germanium–silicon single-photon avalanche diodes," APL Quantum, vol. 1, no. 036123, Sep. 2024, doi: 10.1063/5.0219035.
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