PsiQuantum可制造性的光量子计算平台简介

逍遥设计自动化

引言
光量子计算在降低噪声、操作简单性和网络连接能力方面具有独特优势。然而，实现实用的光量子计算面临重大挑战，特别是在制造数百万个高性能器件方面的要求[1]。

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6 J4 h; [0 n2 J0 ~; y1 ^7 J& D/ w图1：可制造的集成光量子技术基础架构示意图，展示了关键组件和工艺模块，包括300毫米晶圆上的光子元件和低温Assembly设置。该图展示了该平台的基础架构。
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PsiQuantum最新推出的可制造平台利用光子进行量子计算，在量子比特的产生、操控、网络互连和探测方面展现出卓越性能。该平台实现了显着的保真度指标，包括双轨道光量子比特99.98%的态制备和测量保真度，以及独立光子源之间99.50%的Hong-Ou-Mandel量子干涉可见度。

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核心技术组件
4 ?9 X1 }& C: d) g% c1 {* Z4 U该平台基于与GlobalFoundries合作开发的改良硅基光电子制造工艺。这个工艺集成了超过20层光刻工艺和数百个加工步骤，全部在最先进的300毫米半导体晶圆厂中完成。
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图2：平台关键构建模块示意图，展示了(a)光子源示意图，(b)光子源的测量联合谱强度，(c)滤波器网络响应，(d)马赫-曾德尔干涉仪性能，以及(e)超导纳米线单光子探测器特性。该图展示了各个基本组件的集成特性。

6 t0 j1 G( e' G' Z, C该平台包含以下几个关键组件：
1. 光子源：系统使用脉冲激光泵浦驱动的自发四波混频(SFWM)。由于采用了干涉耦合谐振器设计，这些光源无需光谱滤波即可实现99.5%的测量谱纯度。
2. 光子探测：平台引入了性能优异的氮化铌(NbN)超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)。在约2K温度下运行时，这些探测器显示93.4%的芯片上中值效率。
3. 干涉仪和滤波器：系统采用定向耦合器、交叉和环形谐振器的组合来构建复杂的干涉仪。这些组件实现了量子比特态制备、泵浦滤波和融合测量等关键功能。

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量子基准测试结果

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8 u& J" O$ I! I0 L* L1 g; J图3：量子基准测试线路展示了(a)单量子比特态制备和测量，(b)量子比特互连，(c)双光子量子干涉，以及(d)双量子比特融合测量，同时展示相应的性能指标(e-h)。该图展示了关键量子操作的实际实现和测量结果。

该平台在多个关键指标上展现出优异性能：
单量子比特操作：系统在光子探测条件下实现了99.98%的路径编码量子比特态制备和测量(SPAM)保真度。
量子干涉：平台展示了独立光源之间99.50%的Hong-Ou-Mandel量子干涉可见度，代表了目前所有平台中最高的测量结果。
& }& s+ R  ^% D' H4 W1 \7 v双量子比特操作：贝尔融合测量达到99.22%的保真度，展示了平台在多量子比特操作方面的能力。
! W# Q1 E/ d1 |( p网络互连：系统通过42米标准电信光纤实现了99.72%保真度的芯片间量子比特互连。
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: b5 g  g0 |0 y9 c: ]% [新一代技术进展

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图4：新一代技术包括(a)级联谐振器光源设计，(b)光源联合谱强度测量，(c)光源间不可分辨性数据，(d)光子数分辨探测器布局，(e)探测器效率测量，以及(f)探测器读出特性。该图展示了平台正在开发的先进功能。
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研发团队在多个方面实现了关键改进：
1. 先进光子源：级联谐振器光源设计实现了99.35%的纯度，同时比先前设计需要更少的泵浦功率。
2. 改进探测：新型光子数分辨探测器(PNRDs)展示了98.9%的中值效率，可同时分辨多达4个光子。
" r0 R1 o" O( N1 _* Z1 k6 R1 B  I: I, k3. 低损耗组件：平台实现了低至0.5 dB/m的氮化硅波导损耗，分光器和交叉结构分别显示0.5 mdB和1.2 mdB的损耗。
4. 提升连接性：新型边缘耦合器设计与高数值孔径光纤配合，实现了低至52 mdB的光纤-芯片耦合损耗。
5. 快速开关：集成钛酸钡开关实现了高速光学开关功能，损耗-电压乘积为0.33 dB.V。

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5 D  x* D- L: s  P: `( Y$ Z: h图5：先进组件的性能指标，展示了(a)氮化硅波导损耗测量，(b)器件损耗数据，(c)芯片-光纤耦合效率，(d)泡克尔斯效应测量，(e)钛酸钡相移器横截面，(f)相移器损耗特性，以及(g)钛酸钡马赫-曾德尔干涉仪电压响应。该图展示了平台在各个技术方面的成就。

4 D- z% ^2 v7 j: g这些发展标志着实用光量子计算技术取得显着进展，解决了可扩展性、效率和性能方面的主要挑战。该平台在扩展到更大规模系统时保持高保真度的能力，使其在未来量子计算应用中具有重要意义。
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7 h/ A! h  u/ J+ a2 H$ ]8 x2 D! T参考文献
, n8 @/ d8 g: a, X' I[1] PsiQuantum Team, "A manufacturable platform for photonic quantum computing," Nature, 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08820-7.
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: ~: [: B3 W: k( k9 A深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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