A heterogeneously integrated coupled-cavity frequency beam splitter
本文展示了一种异质集成的薄膜铌酸锂集成硅耦合腔调制器，该调制器能够实现可调的双向频率模式变换，例如 50/50 分束和近乎完全的频率交换，为高维量子信息处理提供了一个可扩展且灵活的平台。
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在量子计算领域，信息通常由被称为光子的单个光粒子携带。为了使这些粒子能够用于复杂的计算，科学家必须能够以极高的精度对其进行操控。使用光的颜色或频率来存储和处理信息是一种极具前景的方法。就像广播电台可以通过不同的频率广播以携带不同的频道一样，单个光子可以同时存在于几种不同的频率的叠加态中。这种被称为频率编码的方法，允许比依赖光的方向或到达时间的其他方法具有更高的信息密度。然而，要利用这种方法构建一台工作的计算机，研究人员需要一种能够将这些不同的频率颜色相干地混合在一起的方法，就像分束器混合两股水流一样。挑战在于创造出一种能够高效完成此操作，且不会丢失脆弱量子信息的设备，同时还要将其集成到最终可以容纳许多其他必要组件的微小芯片上。
桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的一个研究小组现在展示了一种通过将两种不同的材料结合成单个高功能芯片来解决这一问题的装置。他们创造了一个组件，其作用是可调谐频率分束器，只需施加特定的电信号，即可将一种颜色的光分成两种，或者将其完全转换为另一种颜色。该设备建立在硅的基础之上，而硅正是标准计算机芯片所使用的材料，这使得它可以使用成熟的高产量工厂工艺进行制造。在硅基底之上，研究人员键合了一层超薄的铌酸锂，这种晶体以其在电场作用下改变光学特性的能力而闻名。这种被称为异质集成的混合方法，使团队能够既利用硅工业最好的制造能力，又增加晶体强大的光操控技能。
该设备的核心由两个靠得非常近的微型环形光学谐振器组成。这两个环如此接近，以至于光波可以从一个泄漏到另一个，从而创建一个使两个环作为一个整体运作的共享状态。当研究人员向晶体层施加微波信号时，它会“摇动”环内的光，导致这两个共享状态发生相互作用。通过仔细调节微波信号的强度，他们可以精确控制光的行为。在特定的设置下，该设备会将输入的光均匀地分配到两个不同的频率模式中，从而产生完美的 50/50 分割。在更强的设置下，它可以将光从一种频率完全交换到另一种频率，从而有效地改变光子的颜色。在实验中，团队展示了他们可以实现这种完全交换，同时将原始颜色的强度抑制 20 分贝以上，这种精度的水平表明极少有能量被浪费或损失于不必要的副作用。
这项成就之所以特别重要，不仅在于设备的性能，还在于所用制造方法的灵活性。由于晶体层是在硅芯片已经制造完成后才键合在其上的，因此同一个平台可以用于集成量子计算机的其他基本部件。这意味着在未来，单个芯片可以容纳产生光子的光源、净化信号的滤波器、路由信息的开关以及读取最终结果的探测器，所有这些部件都能无缝协作。为了证明这种方法不局限于仅一种晶体，研究人员还将另一种材料——钽酸锂键合到了同一个硅平台上。虽然第二种材料的表现略有不同，但它仍然有效，这证明了制造过程足够稳健，可以根据最终电路的具体需求来适配各种材料。
研究人员通过将激光送入环中并扫过微波功率从低到高的过程来测量设备的性能。他们观察到，随着信号的增加，光平滑地从停留在其原始频率过渡到均匀分裂，最后几乎完全转化为新频率。他们发现，当硅波导被设计为略微“过耦合”（over-coupled）时，即光进入和离开环的速率能够优化混合过程的特定条件时，设备运行效果最好。团队还证实，无论使用哪种的两个频率模式作为起点，该设备都能同样出色地工作。这些结果表明，构建可扩展量子光子电路有一条清晰的前进路径，在这种电路中，系统的复杂性不再受限于制造单个组件的难度，而是取决于将它们全部集成到单个多功能芯片上的能力。
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