集成电路（IC ， Integrated Circuit）是当今信息社会的基础 ， 它的大规模高速发展为各行各业带来了日新月异的变化 。
光子集成电路（PIC ， Photonics Integrated Circuit）你是否有听说过呢？
光子集成电路将传统集成电路中起到关键作用的晶体管等电子器件替换成各种不同的微型光电器件 ， 例如微型激光器、微型电光调制器等等 ， 通过光学原理进行信号调控 。 PIC 在信息传输和处理领域有着不可比拟的优势 ， 因此被广泛应用于光纤通信、光谱传感器及量子信息处理等应用中 。
量子力学你可能大学时代有听说过 ， 现在它已经不再仅仅是薛定谔的猫那么神秘 ， 而是随着技术的发展在悄悄地走进我们的生活 。 第一代量子技术改变了传统物理世界 ， 带动了半导体、晶体管和激光器的发展 ， 从而影响计算机互联网世界 。 而第二代量子纠缠和叠加技术的发展也带了计算、仿真、传感和测量技术领域上的革命 。
现在量子技术可以直接在单个光子水平上利用其量子特性与 PIC 相结合实现很多超过传统电子器件性能的新技术 ， 例如最近我国实现超快量子计算机就是一种基于对光子进行量子调控而实现的 。 因此量子光子学的中心目标是利用量子技术通过对光子进行调控为量子通信、量子计算、联系模拟和量子传感传感技术带来新的发展机会 。 那么基于集成光子的量子技术（IPQT）是基于 PIC 技术而发展的 ， 其中最为典型的代表就是量子光子集成电路（qPICs）技术 。
潘建伟团队集合世界上很多科学家一起将 IPQT 这一领域的发展研究动态做了总结 ， 在 2021 年 12 月发表在国际权威杂志 Nature Reviews Physics[1] ， 论文题为《量子技术的集成光子学潜力与全球展望》（The potential and global outlook of integrated photonics for quantumtechnologies） 。 潘建伟等众多科学家希望通过介绍和讨论该技术领域的应用及其当前障碍来刺激这一领域的进一步的发展 。
从 PIC 向 qPIC 的跨越与半导体电子器件类似 ， PIC 的实现是高度依赖于芯片制造技术和工艺水平 。 一般的 PIC 器件是在基板上集成许多光学元件 ， 例如数据中心高速可插拔收发器 ， 特定集成传感或监控器件和微机电系统（MEMS）等 。 传统 PIC 器件是实践量子技术的基础 ， 凭借其可扩展和可快速重构架构、系统占用空间小、高稳定性光学元件、单光子探测器高效芯片接口等等优势 ， 可以成为适用于量子技术的更可扩展、更强大、更紧凑的量子光子集成电路 qPIC 。
例如现有的研究已经证明 qPIC 将对空地通讯和光纤量子通信产生重要影响 ， 因为其在物理路径、重量、能源消耗、稳定性和可制造性等方面都具有很明显的优势；qPIC 还有望解决量子计算和量子模拟中的关键量子控制挑战 ， 包括量子计算中的量子比特寻址和读出等；qPIC 可利用量子纠缠或状态压缩等量子效应 ， 通过使用紧凑的量子光源、片上检测和信号路由等进行高精度的量子传感和量子测量；qPIC 还可为基础科学新物理现象提供研究平台 ， 如拓扑物理和非厄米特物理的研究等等 。

文章插图

图 | 一块适用量子技术的光子集成芯片 qPIC 的架构示意图（来源：Nature Reviews Physics）
但同时 qPIC 的发展也面临着诸多挑战 ， 首先需要思考如何将 PIC 中各组件的设计与制造要与量子应用进行匹配 ， 也就是要在传统光子集成芯片上实现高度可控和可调谐的高 Q 低模量子腔、量子存储器、量子发射器、低噪声单光子探测器、高效量子变频器以及快速前馈操作等 。 下图就给出了一个基本的 qPIC 含有的器件模块需要包含的有量子发射器、非线性过程单元、电路元件、量子存储器、单光子探测器和传统电路控制单元 。

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