量子時代的光子難題

在量子通信和量子計(jì)算的賽道上，光子是傳遞信息的“超級快遞員”。但要讓這些“快遞員”高效工作，科學(xué)家們面臨兩大挑戰(zhàn)：如何精準(zhǔn)捕捉單個光子，以及如何屏蔽干擾信號的強(qiáng)泵浦光。傳統(tǒng)方案依賴笨重的外部濾光設(shè)備，就像給精密的光子電路“外掛行李箱”，不僅增加損耗，還限制了系統(tǒng)的集成度。

中國團(tuán)隊(duì)交出完美答卷！

近日，中科院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團(tuán)隊(duì)在《Photonics Research》發(fā)表重磅成果（論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.550313）！他們成功在單芯片上集成了兩大核心部件——
? 超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）：光子界的“超高敏雷達(dá)”，效率達(dá)20.1%，暗計(jì)數(shù)低至100 Hz！
? 泵浦抑制濾波器（PRF）：56 dB超強(qiáng)“光子安檢門”，將干擾光過濾得干干凈凈！

這項(xiàng)“二合一”設(shè)計(jì)，首次讓量子糾纏接收芯片擺脫外部濾光依賴，為大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)鋪平道路！

技術(shù)亮點(diǎn)：當(dāng)布拉格光柵遇見超導(dǎo)納米線

“疊疊樂”濾光黑科技：7級硅布拉格光柵級聯(lián)，像七層篩網(wǎng)層層攔截泵浦光，最終實(shí)現(xiàn)56 dB抑制比（相當(dāng)于將干擾光削弱到十億分之一！）。

芯片上的“光子捕手”：U型超導(dǎo)納米線緊貼光波導(dǎo)，通過倏逝場高效捕獲光子，即便在-271°C的極低溫下也能穩(wěn)定工作！

糾纏驗(yàn)證一錘定音：利用光纖解復(fù)用器和非平衡干涉儀，團(tuán)隊(duì)測得能量-時間糾纏光子對的可見度超92%，直接“蓋章”量子糾纏有效性！

科學(xué)意義

傳統(tǒng)量子系統(tǒng)像“樂高積木”，組件分散且臃腫。此次提出的全被動集成方案，如同將樂高升級為“納米級集成電路”——
? 更緊湊：無需外部濾光，芯片面積大幅縮??；
? 更高效：光纖耦合損耗降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性提升；
? 更靈活：未來可定制不同波長濾波器，適配多元量子網(wǎng)絡(luò)需求！

圖2 芯片結(jié)構(gòu)示意與電子顯微鏡圖。

圖3 片上泵浦濾波器與SNSPD性能表征結(jié)果。

未來展望：量子互聯(lián)網(wǎng)的“中國芯”

面向未來，可以將光源、濾波器和探測器全部集成在單一芯片上，打造“即插即用”的量子模塊，并從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

圖4 Franson雙光子干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果。