硅基光量子器件芯片上反馈稳定系统
硅基光量子技术基础介绍硅基光电子技术已成为实现大规模量子信息处理系统的主导平台，利用成熟的CMOS制造基础设施，常规生产数十亿个功能晶体管，能够在单个芯片上集成数千个光学器件，用于产生和操控光的量子态。通过硅和氮化硅波导以及微环谐振器中的自发四波混频（SFWM）过程，可以产生量子关联光子对。
然而，一个重大挑战限制了硅基光量子系统的实际部署：高Q值微环谐振器对工艺变化、温度波动和非线性效应极其敏感。这些敏感性传统上需要大体积的片外电子设备进行控制，牺牲了芯片级集成的优势，并限制了系统的可扩展性。这种限制使实际的量子光学实验仅限于少数几个相互作用的微环源。图1：完整的电子-光子量子芯片系统架构，包括制造器件的显微镜照片、集成控制线路的SFWM微环示意图，以及展示单片集成方法的整体系统布局。
1电子-光子量子芯片系统的技术突破研究人员现已演示了首个解决这些基本挑战的电子-光子量子芯片系统（EPQSoC）。该系统将量子关联光子对源与在GlobalFoundries 45纳米CMOS工艺中制造的片上反馈控制线路集成在一起。这种方法从外部控制系统向真正集成的量子光子处理器转变。
核心创新在于将非侵入性光电流传感器集成到SFWM优化的微环中。这些传感器能够直接监测循环光功率而不干扰量子操作。系统在保持量子特性的同时实现对固定波长泵浦激光器的主动波长锁定，具有令人印象深刻的性能指标，包括约134的符合-偶然比（CAR）和0.021的超低二阶相关函数g(2)(0)。
光电流传感机制采用新颖的宽多模硅绝缘体（SOI）波导设计，在微环内边缘沿基模传播路径远离的位置配置交叉指状p-i-n二极管。这种配置在提供波长对准传感所需响应度的同时，保持了约100,000的高本征Q因子。绝热包裹的环-总线耦合器确保只有基模耦合到谐振器中，防止激发高阶横向模式。图2：SFWM微环系统的详细表征，显示了拟合Q因子的归一化透射光谱、展示调谐范围的加热器DAC表征，以及显示稳定操作所需热双稳态行为的光电流测量。
2先进控制线路架构片上控制电子线路代表了模拟和数字处理能力的复杂集成。系统采用伪差分跨阻放大器，可编程增益范围从50千欧到750千欧，能够适应不同的光电流水平和制造引起的变化。工作在31.25兆赫兹的9位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器提供光电流信号的高分辨率数字化。
热调谐子系统采用工作在500兆赫兹的Δ-Σ调制加热器驱动器，通过硅中的热光效应实现精确的波长控制。这种高频开关方法结合微环的热时间常数，有效滤除开关噪声同时保持精细的波长分辨率。10位数字控制提供0.6皮米（76兆赫兹）的最小有效位步长和0.62纳米的总调谐范围。
反馈控制算法通过三阶段过程运行。首先，热-冷扫描通过确定暗电流和最大光电流水平来校准系统。随后，微环重新初始化到热状态并冷却到最佳工作点。最后，比例-积分控制器维持在最大光电流95%的调节，提供稳定操作同时保持足够的干扰抑制余量。图3：稳定光子对源的量子性能，显示了不同泵浦功率下的符合率和对产生效率，以及确认产生光子量子性质的符合-偶然比和g(2)(0)测量。
3量子性能和稳定性演示系统的量子性能验证了集成反馈控制的有效性。在从-10.4分贝毫瓦到-1.2分贝毫瓦的片上泵浦功率数量级范围内工作，受控微环保持稳定的量子特性。测量的对产生率达到3.3兆赫兹每平方毫瓦的片上效率，与基于测量Q因子和自由光谱范围失配的理论预测密切匹配。
重要的是，反馈系统即使在显著热扰动下也能维持量子操作。实验验证包括让受控微环承受来自附近器件的剧烈热扰动，模拟多源量子系统中的实际工作条件。控制环路成功补偿了这些扰动，保持了一致的光子对产生率和量子统计特性。图4：在热扰动下测试反馈稳定性的实验设置和结果，显示当相邻微环产生热干扰时控制系统如何维持稳定操作，以及当反馈被禁用时完全失锁的演示。
4扩展到多个量子源当考虑系统可扩展性时，这种集成方法的真正威力变得明显。研究人员通过实验模拟12个同时工作的SFWM微环的热环境，演示了多个光子对源的同时操作。该实验验证了控制系统在现实条件下的鲁棒性，其中多个源同时进行校准和锁定程序。
面积缩放分析显示了大规模集成的有利趋势。通过时分复用传感，单个模拟前端可以控制多个微环，只需要为每个额外源复制加热器DAC和数字控制器。在具有100个SFWM微环的系统中，控制线路仅占总面积的30%，同时提供每个微环超过600赫兹的采样率。图5：十二个SFWM微环控制系统的可扩展性演示，包括突出每个受控源的显微镜照片和证明在多个相邻源进行顺序激活和校准时稳定光子对产生的时域测量。
5未来前景和工艺改进演示平台为通过工艺演进实现大幅改善的性能奠定了基础。来自GlobalFoundries下一代45SPCLO CMOS光子工艺的初步结果显示对产生效率有1000倍改进的潜力。这种先进工艺具有更厚的硅层、优化的介电堆栈和接近800,000的本征Q因子，能够实现超过5千兆赫兹每平方毫瓦的预测效率。
集成方法还支持未来纳入额外的量子光子组件，包括片上泵浦滤波、单光子探测器和完整的量子处理线路。这种综合集成路径有望消除限制量子光子系统复杂性的经典控制瓶颈。
在商业CMOS代工工艺中成功演示反馈稳定量子光源代表了实用量子信息处理系统的重要里程碑。通过单片集成解决微环稳定性的基本挑战，这项工作支持了有用量子计算、安全通信和先进传感应用所需的大规模应用。该方法将量子光子技术从实验室演示转变为可制造的量子技术，使可扩展量子系统的承诺更接近现实。
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