单光子传感器如何用于量子计算？

单光子传感器，也称为单光子探测器 （SPD），能够精确检测和纵单个光子，这些光子可以用作光子量子计算机 （PQC） 中的量子信息载体或量子比特。PQC 是一种基于测量的量子计算 （MBQC），有望实现高度可扩展的系统，并在室温下运行。

PQC 中的计算不是使用量子门，而是依赖于高度纠缠的量子态（称为簇态）的局部测量。这需要单光子传感器。除了在室温下运行之外，与复杂的多量子比特门相比，PQC 中的计算预计更易于实现。

单光子传感器支持 PQC 中的多种作，包括：

• 检测光子的相关行为以验证其纠缠状态。

• 读取以光子编码的量子比特的量子态。

• 使用量子隐形传态和纠缠光子在量子比特之间传输信息。

PQC 研究人员面临的一个主要挑战是开发可在室温下工作的单光子探测器。超导纳米线单光子探测器 （SNSPD） 因其高效率和灵敏度而成为目前最常见的探测器。还使用了雪崩光电二极管 （APD）。APD 可以在室温下工作，但大多数 APD 缺乏 PQC 应用所需的灵敏度。正在努力开发 APD 的新方法，以提高性能，同时保持室温运行。

典型 SNSPD 的框图如图 1 所示。偏振控制器转发偏振光子，衰减器控制平均光子数，并且需要一个低温冷却器来支持单光子检测。在 SNSPD 的输出侧，偏置器将直流偏置电流传递到器件，并将交流信号从器件传递到放大器，放大器将结果馈送到光子计数器。

图 1.典型 SNSPD 的框图。（图片：ScienceDirect)

SNSPD 通常使用氮化铌 （NbN） 制造，并在低于 4 K 的温度下运行。与当前的 APD 设计相比，它们具有几个重要的性能优势，包括 GHz 速率计数（光子可以记录的速率）、超过 90% 的高探测效率（实际探测速率与入射光子数量相比）、10 的低暗计数率−4Hz（在没有光子的情况下发生的误检测事件）、低于 5 ps 的小抖动（探测器在光子到达后记录光子的时间变化）和非常快的 10 ps 重置时间（连续光子检测事件之间的滞后）。

室温光子传感器

已经证明了一种在 300 K 下运行的正常入射锗硅 （GeSi） 单光子雪崩光电二极管 （SPAD）。预计它将支持使用短波红外 （SWIR） 光子的室温 PQC作。该器件已针对与光子集成电路 （PIC） 的集成进行了优化，旨在支持未来几代 PQC。

SPAD 使用基于硅晶片的绝缘体上硅 （SOI） 和硅基铗 （GOS） 技术，通常用于硅光子学 （SiPh） 器件，以实现互补金属氧化物半导体 （CMOS） 制造兼容性。300 K 下的波导 GeSi SPAD 和 4 K 下的 SNSPD 的性能一样好。

波导 GeSi SPAD 具有简单的结构，如图 2 所示，可以使用自上而下或自下而上的工艺制造。无论哪种情况，Al 后镜都是通过氧化物蚀刻在波导 GeSi SPAD 的末端形成沟槽，然后沉积和图案化 Al 作为后镜来制造的。

图 2.室温波导 GeSi SPAD 结构和材料。（图片：APL Quantum）)

总结

使用 SPD 的 PQC 是一种基于集群状态的 MBQC，与使用多量子比特门的量子计算机相比，预计更容易实现。SPD 支持实施 PQC 所需的量子检测、读取和信息传输。目前基于 NbN 的 SNSPD 具有高性能，但必须在低于 4 K 的温度下运行。正在开发与 SiPh 器件兼容的室温 GeSi SPAD，并提供与低温 SNSPD 相当的性能。