PsiQuantum的超高水平集成光平台

链接：https://youtube.com/watch?v=rR1hmp2pHkI

PsiQuantum是一家搞集成光量子计算的初创公司，拿了超级多钱，目标是实现世界上百万量子比特的通用量子计算机。量子的世界我不懂，也不知道他们啥时候能造出来，好像已经拖了挺久了。但是看他们报道的氪金氪出来的集成光平台的高性能，还是很吃惊的。300mm 平台的超低损耗的波导和无源器件以及高质量电光调制材料BTO异质集成水平都很高。

集成光量子芯片平台主要包括几个部分，硅/氮化硅波导，电光/热光相移器，NbN超导探测器。

关键的器件诉求包括超低损耗的波导器件(波导、耦合器、相移器)、超高消光比/品质因子的双/多光子干涉器件(MZI/MRR)、热隔离、散射光隔离罩等。

团队最早是用硅波导来做的，走了点弯路，后来转向了损耗更低、一致性更好的300mm氮化硅平台。通过与GF合作四年的持续努力优化，取得了一系列叹为观止的数据：

① 氮化硅波导损耗从0.5dB/cm降低到＜0.005dB/cm。单模功能波导损耗为0.0158±0.005 dB/cm，多模走线波导损耗是0.0039±0.0012 dB/cm。

② 光耦合损耗从0.13dB降低到＜0.1dB。目前实现的单模光纤耦合损耗是0.12dB，跟小模斑UHNA4光纤的耦合损耗是0.0053dB。

③ 超低损耗的50/50定向耦合器和MZI。单个定向耦合器的插损只有0.005dB，做成MZI之后，插损应该也就0.01dB出头，消光比有50dB以上，π相移功耗在14mW左右，应该是带了热隔离trench。

另外他这个图里边还有个器件是一个滤波器，用于过滤掉泵浦光的，隔离度也做到了99dB。波导超导探测器的效率也达到了98.9％的中位数。

④ 超低插损的波导交叉Crossing，插损只有0.0016dB。300mm 晶圆的插损mapping如下。DC的分束比误差都在±0.005(也就是3±0.05dB)以内，而Crossing的插损都在0.002dB以内。

⑤ 超高效率的异质集成BTO/SiN调制器。BTO也是跟铌酸锂相似的电光材料，但理论电光系数比铌酸锂可以大30多倍，这就意味着BTO调制器的调制效率/器件尺寸也可以比铌酸锂调制器更优秀。PsiQuantum搞出了世界唯一的一台300mm的双腔外延生长BTO的MBE设备(壕)。目前外延的300mm 硅上BTO薄膜厚度均匀性＜3％，电光系数＞1000 pm/V(铌酸锂是30pm/V)。BTO/SiN波导损耗为0.53dB/cm，2×2光开关相移器长度为2mm(插损0.1dB)，π相移驱压为3.1V。

目前他们正在开发64端口的光开关，后续还会继续加到128端口。

基于这些牛逼的工艺，他们做出来的量子比特保真度也非常高，都在99％以上。这个概念我不懂，但数值上看起来跟祖冲之3号也不相上下。以前大家都诟病的集成光量子难以做到很高的保真度在他这被证伪了。

公司的创始人讲到，从一开始创办的时候，他就意识到集成光量子这条路需要的器件性能，要远比当前的Intel、思科或其他任何公司都要更好，并且需要大型的专业fab和先进设备/产线而不是学校科研设备来做，坚持不以发论文为目的，所以不断在这条激进的道路上坚持。在信仰和资金到位的情况下，做出了这些成绩，还是很佩服的。(其实光器件部分的投资还不算最大的，他们还搞了一个退役的大型基础设施同步加速器的场地，用里边的液氦低温工厂来搭最终的冷却量子系统)。即使最后集成光量子计算机搞不出来，他这套平台超低损的SiN平台和BTO调制器，拿来做光交换、光计算也还是非常有用的。同时，以后谁说集成光比空间光插损大，就可以说看看PsiQuantum看看TSMC，都只是工程问题，有钱有人有信仰给时间都可以解决🤓

最后放几张他们做的很精美的动图，可以看下他们的百万比特光量子计算机是从芯片开始一步一步怎么做出来的。