硅光子，缘何打造量子科技的下一个十年？

/目·录/

一、硅光子技术将率先实现室温、容错量子计算机

二、用于量子科技的硅光子器件

2.1. 单光子源

2.2. 光子探测器

2.3. 波分复用技术

2.4. 低温技术

2.5. 芯片互连

三、可拓展的量子信息应用

3.1. 多光子和高维应用

3.2. 量子纠错

3.3. 量子密钥分发

3.4. 量子隐形传态

四、为什么对硅光子量子计算路线态度乐观？

量子计算和现有光网有什么共同之处？光子。

没错，这种光的最基本粒子有朝一日可以进行量子计算机最复杂的计算。而它们将通过利用为环绕地球的庞大光纤网络提供动力的相同技术来实现这一目标。

光量子计算是令人兴奋的新研究领域之一，它使用光子来表示量子比特——这是量子计算中最基本的信息单位。与只能存储0或1两种值之一的普通比特不同，量子比特可以同时存储多种值。通过将许多光子量子比特组合在一起，光量子计算机有望大大提高计算能力，使得当今经典计算机的数字运算能力望尘莫及。

这就是光网络的用武之地。

我们用来产生通过光纤在全球范围内传输信息的光波长的激光器，同样可以产生未来光量子计算机所使用的量子比特，并为所有量子计算机提供其他关键组件。现在需要的是一种将这些激光器和探测器直接集成到电子元件中的方法。

为了提高量子光学实验的复杂性，光量子系统倾向于使用集成光子电路。与在光学工作台上使用分立光学元件的系统相比，集成光子器件能够在微米/纳米尺度上定位和操纵光子，从而大大提高了量子光学实验的稳定性和可扩展性，并为量子通信、传感和计算应用提供了一种复杂、紧凑的量子光子学方法。因此，这些集成技术将使量子应用走出实验室，进入大规模实际应用。

目前，已经开发出了多种光波导材料，如二氧化硅、硅（Si）、氮化硅（SiN）、铌酸锂，以及光刻和激光写入等技术。在这些材料中，硅光子材料因其制备简单、集成密度高、光学性能优异而成为最佳候选材料。由于经典硅光子技术在大规模光子集成电路中的领先地位，硅基器件的性能也得到了迅速提高。