APL Quantum | 基于鍺硅單光子雪崩二極管的集成硅基光電子室溫光量子計算

逍遙設(shè)計自動化

引言
9 _* T. Y- r. u9 v( a: Y/ e光量子計算(PQC)已成為實現(xiàn)量子信息處理的一種有前途的方法。傳統(tǒng)上，PQC系統(tǒng)主要依賴于低溫環(huán)境，主要是因為需要使用超導納米線單光子探測器(SNSPDs)。然而，鍺硅(GeSi)單光子雪崩二極管(Spads)的最新進展為室溫PQC提供了新的可能。本文探討了使用光電子集成芯片和GeSi SPADs進行室溫PQC的概念，強調(diào)在革新量子計算研究和開發(fā)方面的潛力[1]。


室溫PQC范式
提出的室溫PQC范式利用了GeSi SPADs和光電子集成芯片的最新發(fā)展。與低溫系統(tǒng)相比，這種方法提供了多項優(yōu)勢，包括提高測試吞吐量、縮短設(shè)計迭代周期和簡化系統(tǒng)集成。

圖1：基于硅基光電子的室溫PQC范式示意圖，利用單光子的路徑自由度。
5 }' B+ O$ |) Q; b2 }1 S8 `1 V+ f
室溫PQC系統(tǒng)的主要組成部分包括：

量子源：通過硅-絕緣體-硅(SOI)環(huán)形諧振器中的自發(fā)四波混頻(SFWM)產(chǎn)生單光子。

量子線路：使用級聯(lián)的馬赫-曾德爾干涉儀(MZIs)實現(xiàn)的可編程干涉儀網(wǎng)格(FPIM)操縱單光子的路徑。

量子探測器：在室溫下工作的波導GeSi SPADs作為單光子探測器(SPDs)或光子數(shù)分辨探測器(NPDs)。
* W( ^3 O9 V+ X5 S+ d6 u5 O) v7 `: |[/ol]
波導GeSi SPAD設(shè)計
: s/ |% @3 J# D" {室溫PQC系統(tǒng)的核心是波導GeSi SPAD。該器件基于最近在室溫下演示的垂直入射GeSi SPAD。提出的設(shè)計旨在實現(xiàn)高量子效率(QE)和低暗計數(shù)率(DCR)，同時保持與標準硅基光電子制造工藝的兼容性。
, \8 F! d4 z8 T& S
圖2：(a)提出的波導GeSi SPAD的俯視圖和(b)橫截面圖。

; ?# H% F' e& w  {波導GeSi SPAD設(shè)計包含幾個關(guān)鍵特征：

臺階耦合器：連接SOI波導和Si層，實現(xiàn)高效光耦合。

多模干涉(MMI)：允許光場在波導中垂直振蕩，增強Ge層吸收。

鋁背反射鏡：增加有效吸收長度，最小化器件占用面積。
. {6 P3 E' D8 M% E1 a[/ol]
( Q# n, A  N4 I) q量子效率優(yōu)化
為最大化波導GeSi SPAD的性能，進行了大量模擬以優(yōu)化量子效率。

圖3：(a)無Al背反射鏡的提議波導GeSi SPAD的QE，(b)有Al背反射鏡時的QE，以及(c)在1550 nm和1310 nm波長中心的光譜QE。
8 V( K% H) c% R  f
1 c8 f5 R' P8 E( _4 u優(yōu)化過程揭示：
, k" b' Z) ~7 h. i6 s" {0 y, Y

在1550 nm和1310 nm波長處均可實現(xiàn)大于95%的QE。

添加Al背反射鏡顯著提高了QE并減少了器件長度。

仔細選擇耦合器長度、間隙長度和Ge長度對于獲得最佳性能非常重要。
7 n3 ?' G9 T1 Z6 A2 ?! @9 V* l# C
暗計數(shù)率縮放
開發(fā)室溫SPADs的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理暗計數(shù)率。通過分析參考光電二極管的數(shù)據(jù)，可以估算提議的波導GeSi SPAD的DCR。
" C# d$ s) N8 w1 e5 U& e, I) d
圖4：GeSi PD在-1 V反向偏置下的暗電流，按其有源區(qū)周長歸一化，繪制為有源區(qū)直徑的函數(shù)。

分析結(jié)果顯示：

表面暗電流密度：4.12 μA/cm2

體暗電流密度：0.7 nA/cm

估計的DCR：在1 V過偏壓時約為0.8 MHz，在2 V過偏壓時約為1.6 MHz
0 I4 {5 Z' s5 I) b* D1 s/ V* ]5 X  W
8 t( S2 r( `- p& P" J這些值代表了文獻中報道的最低水平，使GeSi SPADs能夠在室溫下運行。
* k- g4 @4 o* v8 f# C
$ |/ z7 L! X! U5 D; P9 y! zPQC性能基準
+ r: X1 f% P/ E. E8 F/ q; G  _為評估GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的適用性，提出了新的性能指標，更好地反映了量子計算系統(tǒng)的要求。這些指標側(cè)重于在存在暗計數(shù)的情況下忠實檢測光子態(tài)的能力。

對于基于光子的PQC：
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圖5：(a)成功檢測N光子態(tài)的概率，(b)檢測N光子態(tài)的保真度，(c)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之間的成功概率差異，以及(d)保真度差異。

' |4 J9 a6 |+ R# O  J1 n4 C對于基于量子位的PQC：

圖6：(a)使用300 K GeSi SPADs成功檢測N量子位態(tài)的概率和保真度，(b)300 K GeSi SPADs和4 K NbN SNSPDs之間的成功概率和保真度差異。

性能分析的主要發(fā)現(xiàn)：

由于假設(shè)的單光子探測效率(SPDE)較高，300 K GeSi SPADs的成功概率比4 K NbN SNSPDs高幾個百分點。

300 K GeSi SPADs的保真度僅比4 K NbN SNSPDs低0.0084%。

高單光子探測效率(SPDE)在PQC性能中起著關(guān)鍵作用，而超低DCR并不像之前認為的那樣重要。
[/ol]
) s9 t" }: a8 r3 t這些結(jié)果表明，當考慮適當?shù)男阅苤笜藭r，室溫GeSi SPADs在PQC應(yīng)用中的表現(xiàn)可與低溫NbN SNSPDs相媲美。

2 }9 }/ ]7 U( o9 Y% }光子數(shù)分辨探測器
為實現(xiàn)光子數(shù)分辨能力，提出了兩種基于空間復用波導SPD陣列的波導NPD配置：
' _+ ?- T* Y: T
圖7：基于空間復用波導SPD陣列的波導NPD可能配置。(a)星型耦合器方法，(b)級聯(lián)波導耦合器方法。
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星型耦合器方法：輸入SOI波導與星型耦合器對接，后者將光導向波導SPD陣列。

級聯(lián)波導耦合器方法：輸入SOI波導與側(cè)波導進行波導耦合，然后耦合到波導SPD陣列。
[/ol]
4 q1 X1 T& x7 M) @4 g這兩種配置都能夠創(chuàng)建適用于基于光子的PQC方案的NPDs。
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2 V  ^$ F! d: n+ b9 e9 s3 L未來方向和挑戰(zhàn)
雖然提出的室溫PQC范式顯示出巨大潛力，但仍存在幾個挑戰(zhàn)和未來研究機會：

中紅外(MIR)操作：探索基于MIR的量子光學，以減輕短波紅外(SWIR)波長下SOI波導中的雙光子吸收效應(yīng)。

替代材料：研究基于GeSn on Si、GeSn on Ge on Si和應(yīng)變超晶格on Ge on Si的SPADs，以擴展波長覆蓋范圍。

制造和集成：開發(fā)和優(yōu)化波導GeSi SPADs的制造工藝，并將其與現(xiàn)有硅基光電子平臺集成。

擴展和系統(tǒng)級演示：實現(xiàn)大規(guī)模室溫PQC系統(tǒng)，并展示具有實際優(yōu)勢的量子算法。

7 u  _& `* M( U9 i' T# J9 `結(jié)論
1 m6 Y8 J0 }. _1 X. _/ `基于光電子集成芯片和波導GeSi SPADs的提議室溫PQC范式為無低溫量子計算提供了有前景的道路。通過利用GeSi SPAD技術(shù)的最新進展并仔細優(yōu)化器件設(shè)計，可以在室溫下實現(xiàn)與低溫系統(tǒng)相當?shù)男阅�。這種方法有潛力顯著加速實用量子計算系統(tǒng)的開發(fā)和部署，為量子信息處理及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的可能性。
, p4 v4 c, |) }
參考文獻
' E, U: \/ i7 Z6 f( ?7 t2 }* k[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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