深圳国际量子研究院刘骏秋研究团队，基于可工业级量产的超低损耗氮化硅波导，在集成量子光源构建方面取得重要进展。利用超高品质因子微腔，该集成光源产生光子对的线宽首次达到原子跃迁线量级，且其亮度为迄今硅基集成光学平台的最佳纪录。该工作揭示了“工业级大规模量产”超低损耗集成光学在光量子调控领域的巨大潜力，对基于量子中继器的量子互联网大规模部署具有重要意义，同时也为大规模集成光量子信息调控的发展奠定了坚实基础。相关论文于2024年8月22日发表于学术期刊Physical Review Letters 133, 083803 (2024)。

图1：超低损耗氮化硅芯片照片。该芯片在5 mm×5 mm的尺寸上集成了超过30个微腔；基于6寸晶圆，在一次流片中可以接近100%的良率得到超过300片这样的芯片。

量子信息为信息的产生、传递和处理提供了超越经典方法的全新范式，正在推动对人类信息社会新一轮的变革。光子由于其极佳的量子相干性，能够在常温下有效抵抗外界环境扰动，因此是量子信息最重要的载体之一。基于对光子的调控，人们证实了量子计算优越性，并建立了城际量子通讯网络。然而，迄今大规模光量子信息处理系统均基于自由空间光学或光纤光学构建，其可扩展性仍面临较大挑战。

集成光学是一项可以利用光子集成线路实现光信号的合成、处理和探测的技术。在过去二十年中，光芯片技术已经完成“基础探索和实验室演示”到“工业级大规模量产”的转变，成功大量部署于当今高速光通讯网络与数据中心。近年来，基于光芯片的光量子信息处理也逐步进入人们视野，相关工作大多基于目前最主流的商用硅光平台。但是，硅波导超过1 dB/cm的损耗严重限制了其开展“光子级”实验的能力。

氮化硅材料的引入为这一应用场景提供了极佳的解决方案。氮化硅具有很多极其优良的光学特性，包括从紫外到中红外的光透明区间、在通讯波长无双光子吸收以及合适的Kerr非线性等。同时，氮化硅光芯片的加工能够完全兼容当下标准CMOS硅芯片工艺，并实现了低至0.01 dB/cm的线性损耗。2023年，我院刘骏秋团队报道了国际上首次超低损耗氮化硅集成光学技术的“工业级大规模量产”转化，基于6英寸晶圆成功得到厚度超过800 nm，光损耗低至0.02 dB/cm的氮化硅光芯片，良率接近100%。尽管近年来，人们期待超低损耗氮化硅波导用于芯片光量子信息调控的表现，但迄今尚无明确实验报道。

针对这一广泛关注的问题，刘骏秋团队从窄线宽量子光源的构建切入，设计加工了用于此的高品质微腔，其本征品质因子超过107。通过腔内自发四波混频，研究团队制备出线宽低至25.9 MHz的光子对，这是芯片集成窄线宽量子光源首次达到原子跃迁线量级。与此同时，由于微腔带来的非线性效应增强，该光源亮度达到1.17×109 Hz/mW2/GHz，为目前硅基集成光源最高纪录。基于此光源构建的预报单光子源二阶关联低至0.0037，能量-时间纠缠态干涉可见度达到0.973，均达到目前芯片集成同类光源最优水平。

图2：基于微腔的光子对产生示意图。泵浦光进入微腔后通过非线性效应自发产生光子对；高品质因子微腔能够有效压窄所产生光子对线宽，并极大提升亮度。

一方面，该集成量子光源的线宽与诸多原子跃迁线匹配，使得片上紧凑高效的光子-原子界面构建成为可能，对于基于量子中继器的量子互联网大规模部署具有重要意义。另一方面，该工作首次以实验宣示了工业级量产超低损耗氮化硅波导在集成光量子调控方面的巨大潜力，为大规模集成光量子信息调控的发展奠定了坚实基础。

深圳国际量子研究院为论文第一单位，南科大量子院硕士研究生陈睿扬及研究员罗弋涵为共同第一作者，罗弋涵研究员和刘骏秋研究员为通讯作者。本项研究工作的合作者还包括团队成员龙金宝研究员和沈晨研究员，以及中国科大联合培养博士生石宝奇。该研究得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金、广东省重点实验室、深圳市科创局和深圳国际量子研究院的大力支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.083803