带光子电路的片上量子光学

量子光学是一种快速发展的领域，可以采用单个光子在诸如安全通信，通用量子计算和复杂量子系统的仿真等应用中。过去，本领域的实验主要是使用散装光学器件进行的，即用镜头，镜子和其他组件充满光学表。然而，这不是一种特别可扩展的方法，可以作为更高级的实验作为光学表的对准，稳定和所需空间变得变得恶化不切实际。

然而，这些问题可以使用集成光学和借助于一个raith ebpg5000 +^[1,2]．来自美国耶鲁大学的Menno Poot博士正在追求这种片上的方法。

片上量子光学

在线性量子光学方法中，量子信息在单个光子上编码，用作QUBits^[3]．“双轨编码”是芯片上最合理的编码方式。我们可以考虑以下两个光波导:一个光子通过第一个光波导时表示逻辑上的“0”状态，而另一个光波导中的一个光子表示为“1”。当使用y分束器时，一个有趣的事实是，在两个输出波导中任意一个都有相同的探测光子的可能性。

因此，创建了0和1的叠加。通常，当通过由具有相对长度差异的方向段和耦合器组成的精心设计的光子电路发送光子时，可以执行单个量子位上的任何单一量子操作。虽然也可以在线性光学量子计算中执行双量标操作，但是这些是非确定性过程。通过识别光子可以进行实验结果的后选择;这实现了对光子对之间有效的相互作用。

这就是我们熟悉的“荷航计划”的核心^[4]．光子检测应以最大可能的效率进行。因此，在光子电路对防止互连损失的关键时，将探测器集成在同一芯片上。具有最佳量子效率的探测器使用非常窄的超导导线进行^[5]．这些装置在吸收光子时短暂地转到正常状态，导致可测量的电压脉冲。每当使用超导体时，芯片必须冷却到极低的温度。必须最小化芯片上消散的热量以保持芯片冷。因此，静电控制相移器用于使量子电路可编程。

图1。用于受控而非量子操作的器件的暗场显微照片。光栅耦合器（蓝色三角形）用于在芯片上获取单个光子。使用具有定向耦合器的光子电路实现量子操作。每个设备，例如这里所示的设备，测量1.5×1mm。图片来源:Raith

图2。集成量子光学器件的详细资料。（a）蚀刻窗口以释放光电机械相移器。光致抗蚀剂保护超导单光子探测器从蚀刻剂免受蚀刻剂。（b）缩放“H”移相器。电极是黄色的，释放的装置和波导是绿色的，并且氧化硅（以及非常薄的SIN层）以蓝色表示。（c）顶部有SSPD（红色）的光波导。插图显示了波导上的顶点和对准。（d）鸟瞰CNOT电路的眼睛视图。环用于确定使用制造电路中的相对光学相位^[7]．八个相移器中的四个部分可见。图片来源:Raith

这些MEMS器件不散热，在低温下工作良好^[6]．图1显示了一个完成的芯片的概述，而各种元素在图2中突出显示。

制造过程

考虑到在制造芯片（例如超导体，MEMS，光子）时，需要多种不同的技术，需要多于六个光刻步骤。这些技术中的两种采用标准光刻，而其他技术是用电子束光刻进行的。为此目的，一个raith ebpg5000 +被使用了。初始点是具有热生长的LPCVD Si的Si晶片_3.N_4.和SiO.₂层。后者用作包层，活动部件和光学电路在氮化硅中实现。

这种材料具有优良的光学和机械性能。在材料表面溅射少量纳米NbTiN;这些薄膜在大约11k时变成超导。在初始步骤中定义了对齐标记和电极。接下来，超导探测器被写入和刻蚀。在接下来的两个步骤中，使用反应离子蚀刻来绘制SiN。在第一步，一个薄的SiN层被留下，而第二步蚀刻所有的方式到底层的氧化物。现在，通过将芯片浸入缓冲氢氟酸中，释放机械结构，然后进行临界点干燥。

光刻技术挑战

电子束光刻在写这些复电路时面临着许多挑战。这些挑战可以面临着诸如EBPG等先进设备。2020欧洲杯下注官网

邻近效应纠正

金属层是第一个写在芯片上的。使用不同的光束电流作为大（190x90μm）接触焊盘和诸如涉及可移动和固定电极之间的窄（只小于125nm）间隙的细小特征。如何使用邻近效应校正进行曝光以防止过度曝光如图3所示。

图3。已显影的PMMA显微照片，其书写时没有接近效应校正。驱动移相器所需的9个窄电极在大接触垫之间的区域过度暴露。图片来源:Raith

缝合

缝合是不可避免的，因为各个设备的大小超过了最大的写字段raith ebpg5000 +。通过使用内在方法和/或数据处理，即使在最大的场尺寸也可以减少甚至完全除去EBPG缝合伪像。

图4。跨越两个写域(用虚线表示)边界的波导的显微照片。EBPG显示优良的拼接，其指定为< 15 nm。图片来源:Raith

覆盖

另一个关键方面是所有不同层的相对放置。金属标记是必不可少的。图5显示这些金属标记物用SU-8的盖子保护，其使用光刻图案化。这种保护对于实现不同层的准确叠加至关重要。

图5。刻蚀后的记号。最上面一行显示了使用EBPG5000+的集成疯牛病检测器获得的图像。左边的两个面板是没有保护的标记。再沉积的金(b)产生了高电子散射区域[(a)中的亮点]，这妨碍了准确的标记识别。与SU-8保护(c, d)，标记保持不受影响(c)，导致良好的覆盖。(d)中的光学显微图显示了SU-8保护下的标记;箭头所指的记号被暴露了。图片来源:Raith

高分辨率的sspd

另一个光刻挑战正在写入单光子探测器。图2（d）描绘了当在由图案化的NBTIN制造的U形纳米线中被吸收时，光子瞬间断开超导性。然而，当电线非常窄和薄时，这只是可行的。通常为4-8nm的厚度由膜沉积设定。但是，光刻设置宽度。使用高分辨率HSQ抗蚀剂和小光束台尺寸有效地制造纳米线窄至30nm。另外，电子束光刻的灵活性允许检测器几何形状对待研究的量子效率的特征的影响。

光滑的波导

最终，通过小光束步长尺寸获取光滑的波导。努力相对较少，传播损耗为1.5 dB / cm^[2]获得了。通过在开发它之后或使用甚至更小的分​​辨率之后，可以更好地通过在开发它之后或使用较小的分辨率来更好。在这两种情况下，发现甚至散射损失较小的光滑波导。

图6。最终制造步骤后的集成光量子装置概述。图片来源:Raith

结论与前景

raith EBPG是用于集成光子电路的纳米制造的理想工具。通过使用自动标记搜索和对准的工具的良好覆盖来实现不同光刻步骤的精确放置。易于切换分辨率和光束电流以及PEC支持允许灵活的写入方法。这是本能地使用EBPG提供的图形CVIEV和CJOB实用程序来完成。目前，Menno Poop博士正在努力进一步优化芯片上开发的所有组分及其在低温温度下的表征。在下一步中，将被送入这些励磁装置的非经典光，并且应设计和产生更复杂的光学量子电路。

参考

1. M. Poop，H. X. Tang等人，光子量子光学电路，具有集成超导单光子探测器和光学机械相移器的制备
2. M. Poot，C.Schuck，X.-S.MA，X. Guo，H. X.唐，SIN光子量子电路集成组件的设计与表征，选择。expr。24 6843-6860（2016）
3. P. Kok，W.J. Munro，K. Nemot，T.C。Ralph，J.跳转，G. J. Milburn，用光子Qubits的线性光学量子计算，Rev. Mod。理论物理。79 135-174（2007）
4. E. Knill，R.Laflamme，G. J. Milburn，一种有效量子计算方案，具有线性光学，Nature 409 45（2001）
5. C. Schuck，X. Guo，L. Fan，X. Ma，M. Poop，H.X.Tang，异构超导 - 光子电路的量子干扰在硅芯片自然通信7 10352（2016）中
6. 唐洪兴，一种基于纳米机电相位的光在芯片上的移相方法，应用计算机科学与技术。理论物理。Lett. 104 061101 (2014)
7. M. Poot和H. X.Ang，使用谐振相移，Appl的表征光量子电路。理论物理。吧。109 131106（2016）

该信息的来源、审查和改编来自Raith提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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