基于硅基光电子工艺平台的低串扰光波导用于将激光传递给多个量子比特

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引言
- t- S2 k6 x- P4 o9 L$ ^许多量子计算系统的核心是基于物质的量子比特，如trapped ions、中性原子和氮空位中心。这些量子比特需要使用激光进行精确控制，以完成初始化、操控和读取等各种操作。然而，随着量子系统规模的扩大，将激光传递给多个量子比特并同时最小化串扰变得越来越具有挑战性。

本文将探讨这个问题的创新解决方案：由CMOS代工厂生产的、微制造的氮化硅（Si3N4）光波导系统。这种技术能够将激光精确地传递到多个量子比特，同时保持最小的串扰[1]。

光电子芯片设计和制造
" P3 A7 f1 N! B7 O' _" F实现低串扰激光传递的关键在于光电子芯片的精心设计和制造。让我们来研究这个过程的关键方面。

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8 J  k, i, [& Q! H( Q- ~图1展示了光电子芯片平台的设计和仿真。(a) 芯片的显微镜图像，包含多个设备变体。(b) 波导输出的横截面视图，展示了分层结构。
! @1 P8 j3 F# K) w8 A+ ^) r+ ~
) V9 ?1 F9 s/ ]. s2 k代工厂平台
光电子芯片是在300毫米的绝缘体上硅（SOI）晶圆上使用商业CMOS代工厂制造的，确保了与标准半导体制造工艺的兼容性，实现了可扩展的生产。
" [' ?0 _& U  W* H6 W3 U9 K
代工厂平台的主要特点包括：

通过低压化学气相沉积（LPCVD）沉积的150纳米厚的Si3N4波导

5微米的埋氧层（BOX），用于将波导模式与硅衬底隔离

5微米的二氧化硅顶部包覆层
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; r. f, {* K/ A* q: I$ ^Si3N4波导使用193纳米深紫外氩氟（DUV ArF）准分子激光浸没光刻进行图形化，然后进行蚀刻。这个过程允许精确控制波导尺寸和间距。

) S7 r; U; v  D. e7 F9 c7 ?波导设计
/ T- l8 D2 M% c1 H7 l0 {! x波导设计对于实现低串扰和高效光传递很重要。
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图2显示了(a)片上路由的仿真波导模式，以及(b)经过点尺寸转换后的输出边缘耦合器，插图显示了输出端面的扫描电子显微镜图像。
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关键设计考虑包括：
/ G! `. L: M4 Q0 r4 J

最佳波导宽度（例如，650纳米光的500纳米宽度）以确保单模操作和高限制

紧凑的10微米半径弯曲，损耗低（每90°弯曲低于0.1 dB）

反向锥形点尺寸转换器（SSCs）以扩展高度限制的波导模式，实现与自由空间的高效耦合

. B( |* K/ m' J0 I, ^. T光电子线路架构
4 B; F8 f! |; E, u: L! z光电子芯片的整体架构在抑制不需要的光和最小化串扰方面起着关键作用。

关键架构特征包括：
! n  p$ i8 a) t) ~. p) b# w

战略性放置90°径向弯曲，将杂散光重定向远离输出

输出波导之间深刻蚀的空气沟槽，用于消除平板模式

控制波导输出通道的间距，以匹配量子比特阵列间距

在输出端面进行点尺寸转换，以优化与量子比特阵列的模式匹配

3 H7 K* N& U& J, Z+ M' D, P) ^直接光学表征
/ f- v; F& j+ H$ Q8 q* s; f6 t为了评估制造的光电子芯片的性能，直接光学表征是必不可少的。这个过程涉及测量输出强度和波导通道之间的串扰。

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图3说明了表征波导输出和串扰的光学设置，包括光纤耦合的声光调制器、显微物镜和扫描狭缝机制。
8 K: m2 U" d8 t5 B0 Z# V2 F
1. 表征技术
表征设置包括：

光纤耦合的声光调制器（AOM）用于调制输入激光幅度

高数值孔径物镜和管透镜用于形成波导输出的放大图像

安装在线性定位台上的窄狭缝（5微米宽度）

可变增益光电二极管用于检测透射光

信号分析仪用于隔离幅度调制分量
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8 v+ N$ j5 w4 G2 {6 J这个设置允许对波导输出轮廓进行高分辨率扫描，并准确测量通道之间的串扰。
2 V. h5 |0 T3 w8 a; R
2. 表征结果

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2 `, ~! Q, h+ v4 _0 _- l图4显示了使用50倍成像系统测量的光电子芯片输出轮廓，展示了解卷积后的相对横向积分强度轮廓。
- h, g( H- ?+ w& U; S. l8 C! p
表征结果揭示：

由于沟槽的存在，波导通道之间的强度急剧下降

在没有沟槽的外边缘，强度下降较慢

展示了沟槽对串扰缓解的影响

4 ^1 e, a7 Y; O$ W3 R5 b

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图5显示了波导输出的串扰测量，包括(a)两个紧密间隔波导的相对强度，(b)为不同波长设计的设备的强度分布，(c)沟槽波导输出的2D轮廓，以及(d)通过2D轮廓的线切割的相对强度。

9 g& W8 n: e% d+ ]' f( [% h串扰测量的关键发现：

相邻波导输出之间测得的串扰为-50.8(1.3) dB

为493纳米、585纳米和650纳米波长设计的设备具有相似的串扰性能

直接光纤扫描方法显示峰值强度和背景之间的串扰为-60.6(2.5) dB

; C7 x; H- F% a, P* `演示：激光冷却trapped ions
, ?: J1 R2 i! |" F, ]为了展示光电子芯片的实际应用，进行了涉及激光冷却trapped barium ions的演示。

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图6呈现了trapped-ion和光电子芯片设置的示意图，插图显示了由全局冷却光束和光电子芯片输出照明的八离子链的荧光图像。

1. 演示技术
4 A* b+ _* P& c9 L( Y1 c0 r; W$ Y演示设置包括：
- H% Q% h, H8 C) x, [  d

四杆射频Paul trap用于限制晶化的barium ions

493纳米和650纳米波长的全局冷却光束

光电子芯片提供650纳米光用于D3/2 ? P1/2回泵跃迁

0.6数值孔径透镜系统用于收集离子散射的光

emcCD相机用于荧光成像
( f# o. h! {. _7 r+ m
2. 演示结果
) ^% ?& l1 P5 l! I+ Y演示成功显示：

当被光电子芯片输出照射时，离子链的荧光和晶化

当芯片输出沿着链移动时，单个离子的寻址

仅使用光电子芯片的回泵光维持冷却的离子链
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4 l) R: e7 m# N2 X, e( c结论和未来展望
CMOS代工厂兼容、低串扰的光电子波导阵列的开发代表了物质基量子比特激光传递的重大进展。
主要成就包括：
1. 激光输出的精确、不规则定位
4 Q# y/ g: o& c* n' _2. 实施杂散光减少技术
3. 测得的串扰为-50.8(1.3) dB，比先前报道改善了一个数量级
) s" `+ l1 A2 W9 X& ^3 j1 E4. 成功演示了trapped Ba+ ions的激光冷却和晶化
7 O. C8 H. \* a% T2 t( F
/ |! o# v+ A2 _1 M模块化和可重复性为未来的量子信息处理系统带来的好处：
2 F; }# ?8 c0 F. F$ K$ C1. 可扩展的量子网络：通过提供量子比特和光纤之间的接口，这些光电子芯片实现了量子网络的创建。
2. 可定制设计：制造过程的精确性和灵活性允许为特定量子比特平台和应用量身定制解决方案。
3. 主动设备集成：虽然演示的设备是被动的，但代工工艺支持实现主动组件，用于更高级的量子比特控制和操纵。
: c. m1 ~6 O/ k, k8 x4. 增强光收集：本工作中的模式匹配考虑可应用于优化从量子比特收集光，提高量子态读取的效率。
" a5 i- c" C2 s4 w4 W5. 多量子比特寻址：通过添加主动组件，这些设备可以实现单个trapping区域内多个量子比特的独立寻址。
) @2 D2 G6 k6 |/ l4 Y# h: \; ]6. 与其他量子技术集成：这个平台的多功能性使其适用于与各种类型的量子比特接口，包括trapped ions、中性原子和固态量子比特。
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2 g+ a2 G9 Y& Z  _  ~随着量子计算的不断进步，精确控制和操纵大量量子比特的能力将变得越来越关键。本文介绍的光电子波导技术为这一挑战提供了有前景的解决方案，为更强大和可扩展的量子系统创造了条件。

* f  ?5 c+ ?# e0 D" h通过结合CMOS制造技术的精确性和创新的光学设计，这些光电子芯片代表了实现实用量子计算机和量子网络的关键一步。可以期待看到串扰减少的进一步改进、主动组件集成的增加，以及更复杂的量子比特控制技术的发展。

参考文献
[1] C. L. Craft et al., "Low-Crosstalk, Silicon-Fabricated Optical Waveguides for Laser Delivery to Matter Qubits," arXiv:2406.17607v2 [quant-ph], Jun. 2024.
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