統合量子フォトニクス

集積量子フォトニクスは、光集積回路を使用して光量子状態を制御し、量子技術に応用します。^{[1] [2]}このように、集積量子フォトニクスは、光量子回路の小型化とスケールアップへの有望なアプローチを提供します。^{[3]集積量子フォトニクスの主な用途は}量子技術です。たとえば、量子コンピューティング、^[4]量子通信、量子シミュレーション、^{[5] [6] [7] [8]}量子ウォーク^{[9] [10]}および量子計測^[11]などです。

線形光学は、Knill、Laflamme、およびMilburnによる独創的な研究^[12]で、検出とフィードフォワードを使用して決定論的な2量子ビットゲートを生成する線形光量子コンピュータの実現可能性が実証されるまで、量子コンピューティングの潜在的な技術プラットフォームとは見なされていませんでした。これに続いて、バルク光学で実行された2量子ビットゲートの実験的原理実証がいくつかありました。^{[13] [14] [15]}すぐに、集積光学がこの新興分野に強力な実現技術を提供できることが明らかになりました。^[16] 集積光学の初期の実験では、視認性の高い非古典的および古典的干渉のデモンストレーションを通じて、この分野の実現可能性が実証されました。通常、方向性結合器（導波モード間のビームスプリッターとして機能する）や、ネストされたマッハツェンダー干渉計を形成する位相シフター^{[17] [18] [19]}などの線形光学コンポーネントは、量子ビットを空間自由度でエンコードするために使用されます。つまり、単一の光子が2つの導波路の間で重ね合わせられており、量子ビットの0と1の状態は、どちらか一方の導波路における光子の存在に対応しています。これらの基本コンポーネントを組み合わせることで、エンタングルゲートや再構成可能な量子回路などのより複雑な構造が生成されます。^{[20] [21]}再構成可能性は、熱光学素子または電気光学素子を使用して操作される位相シフタを調整することによって実現されます。^{[22] [23] [24] [25]}

集積光学が極めて重要な役割を果たすもう一つの研究分野は量子通信であり、例えば量子鍵配送（QKD）^{[26] [27]} 、エンタングルメントスワッピングに基づく量子リレー、量子リピーターなどを実証する広範な実験開発が特徴となっている。

集積量子光学の誕生以来、実験は、集積単一光子源^{[28] [29] [30]}や集積単一光子検出器^[31]などの技術的実証から、自然の基礎試験^{[32] [33]} 、量子鍵配送の新しい方法^[34 ] 、光の新たな量子状態の生成[35]まで多岐にわたってきました。 再構成可能なユニバーサル干渉計を使用することで、再構成可能な単一の集積デバイスで線形光学の全分野を実装するのに十分であることも実証されています。^{[ 20] [36] [37]}

この分野が進歩するにつれ、量子コンピュータが従来のコンピュータよりも優れていることを実証するための短期的および長期的な方法を提供する新しい量子アルゴリズムが開発されました。 クラスター状態量子計算は、本格的な量子コンピュータを開発するために使用されるアプローチとして現在一般的に受け入れられています。^[38] 量子コンピュータの開発には集積光学の多くの側面の統合が必要になりますが、ボソンサンプリング^[39]は、すぐに利用できる技術を介して量子情報処理のパワーを実証することを目指しており、そのための非常に有望な短期アルゴリズムです。実際、導入後すぐに、ボソンサンプリングアルゴリズムの有効性を示す小規模な実験的実証がいくつかありました^{[40] [41] [42] [43]}

量子フォトニクスは、光場（光子）の個々の量子をコヒーレントに制御することが可能な領域で、光を生成、操作、検出する科学である。^{[44]歴史的に、量子フォトニクスは、} EPRパラドックスやベルテスト実験など、量子現象の探究において基礎となってきた。^{[45] [46]量子フォトニクスは、}量子コンピューティング、量子鍵配送、量子計測など、将来の技術を進歩させる上で中心的な役割を果たすことも期待されている。^[47]光子は、デコヒーレンス性が低く、光速で伝送され、操作が容易なため、量子情報の特に魅力的なキャリアである。量子フォトニクスの実験には、伝統的に「バルク光学」技術、つまり合計質量が数百キログラムの大きな光学テーブルに取り付けられた個々の光学部品（レンズ、ビームスプリッターなど）が使用されていた。

集積量子光回路の量子フォトニクスへの応用^[1]は、有用な量子技術を開発するための重要なステップと見なされています。シングルダイ光回路は、バルク光学系に比べて以下の利点があります。

1. 小型化 -システムサイズが小さくなるため、サイズ、重量、消費電力が桁違いに削減されます。
2. 安定性- 高度なリソグラフィー技術で製造された小型コンポーネントは、本質的に位相が安定（コヒーレント）で、光学的な調整を必要としない導波管とコンポーネントを生成します。
3. 実験サイズ- 数平方センチメートルのデバイスに多数の光学部品を統合できます。
4. 製造可能性- デバイスをはるかに低コストで大量に製造できます。

統合量子フォトニクスで使用される要素は、十分に開発された製造技術に基づいているため、より小型化しやすく、このアプローチに基づく製品は、既存の製造プロセスと方法を使用して製造できます。

光子の制御は、シリカ、シリコン、ガリウムヒ素、ニオブ酸リチウム、リン化インジウム、窒化シリコンなどのさまざまな材料基板で実現できる集積デバイスによって実現できます。

シリカを使用する3つの方法:

1. 火炎加水分解。
2. フォトリソグラフィー。
3. 直接書き込み - 単一の材料とレーザーを使用する（コンピューター制御のレーザーがレーザーの焦点と経路を操作してガラスを「損傷」し、その経路に沿った材料の屈折率を変更して回路線を作成し、導波管を生成する）。この方法はクリーンルームを必要としないという利点があり、現在シリカ導波管を作成する最も一般的な方法である。また、ラピッドプロトタイピングにも優れており、トポロジカルフォトニクスのいくつかのデモンストレーションで有利に使用されてきた。^[48]

シリカ プラットフォームの主な課題は、屈折率のコントラストが低いこと、製造後のアクティブな調整可能性が欠如していること (他のすべての基板とは対照的)、および刻印プロセスの連続的な性質により、再現性と高い歩留まりで大量生産することが難しいことです。

シリコンを使用する大きな利点は、デバイスが製造された後、集積された熱マイクロヒーターまたはピン変調器を使用して回路をアクティブに調整できることです。シリコンのもう1つの大きな利点は、 CMOSテクノロジーとの互換性です。これにより、半導体エレクトロニクス業界の成熟した製造インフラストラクチャを活用できます。ただし、構造は現代の電子構造とは異なり、容易に拡張できます。シリコンは、光通信で一般的に使用される1550 nmの波長で約3.5という非常に高い屈折率を持ちます。そのため、集積フォトニクスで最も高いコンポーネント密度の1つを提供します。ガラスとの屈折率の大きなコントラスト（1.44）により、ガラスで囲まれたシリコンで形成された導波路は非常にきつい曲げを持つことができ、高いコンポーネント密度とシステムサイズの縮小が可能になります。直径300 mmまでの大型シリコンオンインシュレーター（SOI）ウェハーが市販されているため、このテクノロジーは利用可能で再現可能です。最大規模のシステム（数百のコンポーネントに及ぶ）の多くは、シリコンフォトニクスプラットフォーム上で実証されており、最大8個の同時光子、グラフ状態（クラスター状態）の生成、最大15次元の量子ビットを備えている。^{[49] [50]}シリコン導波回路内の光子源は、シリコンの3次非線形性を利用して、自発的な4波混合で光子のペアを生成する。シリコンは、約1200 nm未満の光の波長に対しては不透明であるため、赤外光子への適用が制限される。熱光学位相と電気光学位相に基づく位相変調器は、それぞれ低速（KHz）および損失が多い（数dB）という特徴があり、アプリケーションと量子計算のためのフィードフォワード測定を実行する能力が制限される。

ニオブ酸リチウムは大きな2次光非線形性を持ち、自発的なパラメトリックダウンコンバージョンによる光子対の生成を可能にする。また、これを利用して位相を操作し、高速でモード変換を行うことも可能で、量子計算、多重化された（決定論的な）単一光子源へのフィードフォワードへの有望なルートを提供している。歴史的に、導波路はチタンの拡散を使用して定義され、大きな導波路（大きな曲げ半径）をもたらしている。^[51]

(Al)GaAsやInPなどの絶縁体上のIII-V族材料から作られた光導波路は、最大級の2次および3次の非線形性、大きなモード閉じ込めを提供する大きな屈折率コントラスト、および通信波長での2光子吸収が無視できるほど小さい広い光バンドギャップを提供します。III-V族材料は、オンチップレーザーのアクティブゲイン、高速電気光学変調器（ポッケルス効果とカー効果）、オンチップ検出器などの低損失パッシブおよび高速アクティブコンポーネントが可能です。シリカ、シリコン、シリコン窒化物などの他の材料と比較して、大きな光非線形性と低い導波路損失およびタイトなモード閉じ込めにより、マイクロリング共振器からの超高輝度エンタングルメント光子対生成が実現しました。^[52]

従来の製造技術は、小型化と大量生産を可能にするフォトリソグラフィープロセスに基づいています。量子光学の用途では、フェムト秒レーザー^[53]またはUVレーザー^[17]による回路の直接刻印も重要な役割を果たしてきました。これらは少量製造技術であり、迅速な製造ターンアラウンドで新しい設計をテストする必要がある研究目的に特に便利です。

しかし、レーザーで書き込まれた導波路は、シリコン光子回路とは対照的に、刻印技術の連続的な性質とこれらの材料で許容される非常に低い屈折率コントラストのために、大量生産や小型化には適していません。フェムト秒レーザーで書き込まれた量子回路は、偏光自由度の操作に特に適していることが証明されています^{[54] [55] [56] [57]} 革新的な3次元設計による回路の構築。^{[58] [59] [60] [61]} 量子情報は、光子の経路、偏光、時間ビン、または周波数状態のいずれかでオンチップでエンコードされ、アクティブ集積コンポーネントを使用してコンパクトで安定した方法で操作されます。

量子では古典的な光子集積回路と同じ基本コンポーネントが使用されていますが、実用的な違いもいくつかあります。単一光子の量子状態の増幅は不可能であるため (複製不可定理)、量子フォトニクスのコンポーネントでは損失が最優先事項となります。

単一光子源は、構成要素（導波路、方向性結合器、位相シフタ）から構築される。典型的には、光リング共振器と長い導波路セクションは、光子対生成のための非線形相互作用を増加させるが、量子ドットと窒素空孔中心に基づく固体システム単一光子源と導波路光子回路を統合する進歩も遂げられている。^[62]

• 線形光量子コンピューティング
• 量子情報
• 量子鍵配送
• 量子コンピューティングや量子通信に携わる企業一覧
• 量子プロセッサのリスト

• QUCHIPプロジェクト
• 3D-QUESTプロジェクト
• ブリストル大学量子フォトニクスセンター
• ファストグループ、写真ナノテクノロジー研究所、国立リチェルチェ研究所
• 統合量子光学、パーダーボルン大学
• グリフィス大学統合量子技術