單光子傳感器如何用于量子計算？

單光子傳感器，也稱為單光子探測器 （SPD），能夠精確檢測和縱單個光子，這些光子可以用作光子量子計算機 （PQC） 中的量子信息載體或量子比特。PQC 是一種基于測量的量子計算 （MBQC），有望實現高度可擴展的系統，并在室溫下運行。

PQC 中的計算不是使用量子門，而是依賴于高度糾纏的量子態（稱為簇態）的局部測量。這需要單光子傳感器。除了在室溫下運行之外，與復雜的多量子比特門相比，PQC 中的計算預計更易于實現。

單光子傳感器支持 PQC 中的多種作，包括：

• 檢測光子的相關行為以驗證其糾纏狀態。

• 讀取以光子編碼的量子比特的量子態。

• 使用量子隱形傳態和糾纏光子在量子比特之間傳輸信息。

PQC 研究人員面臨的一個主要挑戰是開發可在室溫下工作的單光子探測器。超導納米線單光子探測器 （SNSPD） 因其高效率和靈敏度而成為目前最常見的探測器。還使用了雪崩光電二極管 （APD）。APD 可以在室溫下工作，但大多數 APD 缺乏 PQC 應用所需的靈敏度。正在努力開發 APD 的新方法，以提高性能，同時保持室溫運行。

典型 SNSPD 的框圖如圖 1 所示。偏振控制器轉發偏振光子，衰減器控制平均光子數，并且需要一個低溫冷卻器來支持單光子檢測。在 SNSPD 的輸出側，偏置器將直流偏置電流傳遞到器件，并將交流信號從器件傳遞到放大器，放大器將結果饋送到光子計數器。

圖 1.典型 SNSPD 的框圖。（圖片：ScienceDirect)

SNSPD 通常使用氮化鈮 （NbN） 制造，并在低于 4 K 的溫度下運行。與當前的 APD 設計相比，它們具有幾個重要的性能優勢，包括 GHz 速率計數（光子可以記錄的速率）、超過 90% 的高探測效率（實際探測速率與入射光子數量相比）、10 的低暗計數率?4Hz（在沒有光子的情況下發生的誤檢測事件）、低于 5 ps 的小抖動（探測器在光子到達后記錄光子的時間變化）和非常快的 10 ps 重置時間（連續光子檢測事件之間的滯后）。

室溫光子傳感器

已經證明了一種在 300 K 下運行的正常入射鍺硅 （GeSi） 單光子雪崩光電二極管 （SPAD）。預計它將支持使用短波紅外 （SWIR） 光子的室溫 PQC作。該器件已針對與光子集成電路 （PIC） 的集成進行了優化，旨在支持未來幾代 PQC。

SPAD 使用基于硅晶片的絕緣體上硅 （SOI） 和硅基鋏 （GOS） 技術，通常用于硅光子學 （SiPh） 器件，以實現互補金屬氧化物半導體 （CMOS） 制造兼容性。300 K 下的波導 GeSi SPAD 和 4 K 下的 SNSPD 的性能一樣好。

波導 GeSi SPAD 具有簡單的結構，如圖 2 所示，可以使用自上而下或自下而上的工藝制造。無論哪種情況，Al 后鏡都是通過氧化物蝕刻在波導 GeSi SPAD 的末端形成溝槽，然后沉積和圖案化 Al 作為后鏡來制造的。

圖 2.室溫波導 GeSi SPAD 結構和材料。（圖片：APL Quantum）)

總結

使用 SPD 的 PQC 是一種基于集群狀態的 MBQC，與使用多量子比特門的量子計算機相比，預計更容易實現。SPD 支持實施 PQC 所需的量子檢測、讀取和信息傳輸。目前基于 NbN 的 SNSPD 具有高性能，但必須在低于 4 K 的溫度下運行。正在開發與 SiPh 器件兼容的室溫 GeSi SPAD，并提供與低溫 SNSPD 相當的性能。