Routing single photons with quantum emitters coupled to nanostructures
School of Mathematical and Physical Sciences, University of Sheffield（谢菲尔德大学数理科学学院）
本文综述了量子光学中输入输出方法、发射体基单光子路由机制的理论提案以及不同物理平台上的单光子开关实验演示，强调未来需报告关键性能指标以推动该领域发展。
2026-05-14 quant-ph
On-Chip Josephson Junction Microwave Switch
作者报道了一种基于单约瑟夫森结超导电路的反射式单极单掷微波开关的设计和测量。数据表明，开关操作与2 GHz的瞬时带宽集中在10 GHz，低插入损耗，和优于20 dB的开/关比。开关的实测性能与模拟输入功率高达-100 dBm。一个扩展的演示电路，实现单刀双掷开关的仿真。
2015-12-04 cond-mat.supr-con quant-ph
Room-temperature on-chip generation of heralded single photons with switchable orbital angular momentum
在量子光学中，轨道角动量（OAM）具有无穷大和离散的本征值，可以通过l的拓扑荷量子化，是实现高维量子态的理想方法。在这里，提出了一种具有可切换OAM模式的预示单光子源，并在硅芯片上进行了演示。在室温下，利用热光效应成功地产生了11个OAM模（l=2~6，-6 ~-1）的单光子，并实现了光开关。我们相信，这样一个集成的量子源与多个OAM模式和工作在室温下将提供一个实用的平台，为高维量子信息处理。此外，我们提出的架构也可以扩展到其他材料系统，以进一步提高OAM量子源的性能。
2021-12-24 physics.optics quant-ph
Large-scale on-chip integration of gate-voltage addressable hybrid superconductor-semiconductor quantum wells field effect nano-switch arrays
本文提出并实验验证了一种大规模可扩展的栅极电压可寻址混合超导体-半导体场效应纳米开关阵列芯片，实现了144个Nb-In0.75Ga0.25As量子线结的片上集成与独立控制，为容错量子技术中的低温纳米电子电路发展提供了关键基础。
2023-07-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-Optical Routing of Single Photons by a One-Atom Switch Controlled by a Single Photon
量子网络的前景，即量子信息由光子电路中的单光子携带，长期以来一直是实现单光子全光路由的努力背后的驱动力。在这里，我们实现了这种光子电路的最基本单元：单光子激活开关，能够将光子从其两个输入中的任何一个路由到其两个输出中的任何一个。我们的设备是基于一个单一的87 Rb原子耦合到光纤耦合，基于芯片的微谐振器，是完全全光的，不需要其他领域以外的光纤单光子脉冲。控制脉冲的非经典统计数据证实，单个反射光子将开关从高反射（65%）切换到高透射（90%），每个开关事件平均约1.5个控制光子（约3个，包括线性损耗）。控制光子和目标光子都在光纤中并且实际上相同的事实使得该方案与用于量子信息处理的可扩展架构兼容。
2014-05-05 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Nanomechanical single-photon routing
集成光子学和量子光学的结合为光子量子技术带来了新的机遇，在优良的光子-发射极界面和先进的光学电路方面取得了非常重大的进展。关键的缺失功能是快速电路可重新配置性，其最终不会引入损耗或发射器退相干，并且以与片上量子发射器的光子生成和量子存储器存储时间相匹配的速度操作。这一雄心勃勃的目标需要全新的有源量子光子器件，通过扩展传统的方法来实现可重构性。在这里，通过合并纳米光学力学和确定性光子发射极界面，我们展示了片上单光子路由，具有低损耗、小器件占用面积以及接近固态量子发射极自旋相干时间的固有时间响应。该器件是用于构建先进的片上量子光子架构的基本构建块，例如，相干多光子源、确定性光子-光子量子门、量子中继器节点或可扩展量子网络。
2018-11-27 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Fully tunable and switchable coupler for photonic routing in quantum detection and modulation
光子路由是许多光学应用的关键组成部分，挑战其发展。我们报道了一种2 $\times$ 2光子耦合器，其分束比可通过低压电子信号进行切换，带宽为10~GHz，延迟为数十纳秒。该耦合器可以工作在0：100 ~ 100：0的任意分光比范围内，在1.3THz的光带宽内消光比为26 dB。我们展示了任意耦合机制之间的亚纳秒切换，包括平衡的50：50分束器，0：100开关和光子抽头。该装置的核心是基于马赫-曾德尔干涉仪在一个双波长的配置，允许在单光子水平的长期亚度稳定的实时锁相。使用报告的耦合器，我们证明了第一次的完美平衡的时间复用设备的光子数分辨探测器，也积极准备的光子时间qudit状态高达四个时间仓。该耦合器在单光子水平上的长期稳定工作使其在量子信息处理和量子光学中具有广泛的应用。
2019-12-19 physics.app-ph quant-ph
Direction switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton
Shanxi University（山西大学）；Hainan University（海南大学）；Durham University（杜伦大学）
本文提出利用Rydberg极子实现可调方向的单光子发射器，通过受激拉曼跃迁改变存储光子的Rydberg成分，实现多输出端口的单光子路由，提升量子设备性能。
2025-04-03 quant-ph
Electro-optic routing of photons from single quantum dots in photonic integrated circuits
固态光子量子技术的最新突破使得能够以一系列光子量子技术所需的接近1的效率生成和检测单光子。然而，缺乏在同一芯片内同时产生和控制光子的方法，已经形成了实现高效多量子比特门和利用芯片级量子光子学优势的主要障碍。在这里，我们提出并证明了一个集成的电压控制移相器的基础上的电光效应，在悬浮光子波导嵌入量子发射器。相位控制允许构建具有两个正交臂的紧凑型马赫-曾德尔干涉仪，利用砷化镓中的各向异性电光响应。由单个自组装量子点发射的光子可以主动路由到干涉仪的两个输出端。这些结果，连同观察到的亚微秒响应时间，构成了芯片级单光子源解复用，光纤环玻色子采样，线性光学量子计算的重要一步。
2017-07-20 physics.optics quant-ph
On-chip Integration of Si/SiGe-based Quantum Dots and Switched-capacitor Circuits
目前，集成在半导体衬底上的固态量子位需要至少一条从每个量子位到控制电子设备的导线，这导致了所谓的布线瓶颈。通过片上电路解复用提供了一种有效的策略来克服这一瓶颈。在栅极限定的量子点阵列的情况下，需要同时向多个栅极施加特定的静态电压以实现电子约束。当量子器件和解复用器之间放置电荷锁定结构时，可以局部维持电压。在本研究中，我们利用开关电容电路来实现电荷锁定，并利用它来浮置单个量子点的柱塞门。平行板电容器、晶体管和量子点器件单片地制造在Si/SiGe基衬底上，以避免复杂的芯片外布线。我们实验研究了电容和晶体管尺寸对浮动节点电压精度的影响。此外，我们证明了量子点的电化学电势可以跟随100 Hz的脉冲信号，而点是部分浮动的，这是必要的，将这种策略应用于量子比特实验。
2020-05-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Space division multiplexing chip-to-chip quantum key distribution
量子密码学将成为未来安全通信的关键技术。然而，为了在通信网络中获得最大效益，传输链路将需要在用于多个独立用户的多个量子密钥之间共享。这样的链路将使得量子密钥的量子网络节点能够切换到它们各自的目的地。在本文中，我们提出了一个实验演示的光子集成硅芯片量子密钥分发协议的基础上空分复用（SDM），通过多芯光纤技术。得到了并行、独立的量子密钥，在密码系统和未来的量子网络中具有重要的应用价值。
2017-10-05 quant-ph
MECH: Multi-Entry Communication Highway for Superconducting Quantum Chiplets
针对超导量子芯片架构中量子比特间通信瓶颈问题，提出多入口通信高速公路机制，以辅助量子比特换取程序并发性，并构建编译框架，在典型基准上显著降低电路深度和操作数量。
2025-04-24 quant-ph
Persistent Supercurrent Atom Chip
铷87原子被困在Ioffe-Pritchard势中，该势是由在蓝宝石表面图案化的环路中流动的持续超导电流产生的。超导回路是由100微米宽的MBE生长的MgB_2条带制成的闭环，承载2.5A的超导电流。为了控制超导条中的超电流，研制了一种由聚焦氩离子激光器驱动的片上热开关。该开关作为超电流的开/关开关，或者作为借助外部磁场将电流设置为特定值的装置。如果变化是在减小的方向上，则即使没有外部源也可以设置电流。
2007-02-06 cond-mat.other cond-mat.supr-con quant-ph
Polarization-independent single-photon switch based on a fiber-optical Sagnac interferometer for quantum communication networks
未来量子网络的一个重要组成部分是能够动态路由单光子的光开关。在这里，我们实现这样的开关，基于光纤Sagnac干涉仪设计。该路由是用一对放置在Sagnac环路内的快速电光电信相位调制器来实现的，使得每个调制器作用于单光子的正交偏振分量，以产生对若干应用至关重要的偏振无关能力。我们得到一个平均消光比大于19 dB的开关的两个输出之间。我们的实验完全采用商用现成组件，因此可以与当前的光通信系统直接兼容。
2020-09-04 physics.optics quant-ph
On-Chip Single-Photon Sifter
光的量子态在现代科学[1]和未来的光子应用[2]中起着关键作用。虽然在它们的生成和高分辨率操作方面取得了令人印象深刻的进展，但普通的桌面方法在实际量子应用中已经达到了极限。自从集成量子纳米光子学[3]的出现以来，已经研究了基于III-V纳米结构、色心和非线性波导的不同材料平台[4-8]作为片上光源。每个平台在光源特性、光路复杂性和缩放潜力方面都有独特的优势和局限性。然而，所有实现都面临着对单个量子态的有效和可调谐滤波[4]、按需选择的量子发射器的可扩展集成和确定性复用[9]以及片上激发抑制[10]的重大挑战。在这里，我们克服了所有这些挑战与一种新的混合和可扩展的纳米纤维的方法，以产生量子光的芯片上，其中选定的单个III-V量子发射器被定位和确定性地集成在CMOS兼容电路[11]与控制的片上滤波和激发抑制。此外，我们展示了新的片上量子波分复用，显示可调谐路由的单光子。我们的可重构量子光子电路的占地面积比类似的桌面方法小一百万倍，提供超过95 dB的出色激发抑制和40 nm带宽上的单光子高效路由，对于释放集成量子光学技术的全部潜力至关重要。
2016-12-15 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Real-time inteferometric quantum random number generation on chip
我们演示了在高数据速率下使用增益开关激光脉冲的随机相位的片上量子随机数产生。由两个独立的半导体激光器产生的增益开关脉冲的干涉在光子集成电路（PIC）上进行，并且使用由现场可编程门阵列（FPGA）和10位数字化仪组成的自制捕获电子器件实时接收和处理所得到的脉冲训练。对于1GHz的脉冲时钟速率和8Gbps的数据速率，示出了具有低相关系数的随机数。随机数也成功通过了美国国家标准与技术研究所（NIST）测试套件中的所有测试。该系统在一个紧凑的平台上提供真正的随机数，可以很容易地集成到现有的量子加密技术中。
2019-06-05 physics.optics quant-ph
Epsilon-Near-Zero Grids for On-chip Quantum Networks
实现片上量子网络是集成量子光子学领域的主要目标。典型的可扩展的片上网络需要单光子源、光学电路和检测器的光学集成，用于量子信息的路由和处理。当前的解决方案要么众所周知地经历相当大的退相干，要么遭受限制其片上缩放的扩展的占用空间尺寸。在这里，我们提出并数值演示了一个强大的片上量子网络的基础上ε近零（ENZ）材料，其介电函数的实部接近零。我们发现ENZ材料在密集网络中传输时能很好地保护量子信息不受退相干和损耗的影响。作为一个例子，我们对ENZ网络的可行实现进行了建模，并证明了量子信息可以可靠地在室温下运行的具有434 nm相干长度的氮化钛网格上发送，这比最先进的等离子体类似物大40倍以上。我们的研究结果有利于实际实现的大型多节点量子光子网络和电路的芯片上。
2019-02-20 physics.optics quant-ph
Two-excitation routing via linear quantum channels
在网络中的不同节点之间路由量子信息是量子互联网的基本先决条件。虽然单量子比特路由已经在很大程度上得到了解决，但到目前为止，多量子比特路由协议还没有得到深入研究。在arXiv：1911.12211中的多激励传输协议的基础上，我们将微扰传输方案应用于网络上的双激励路由协议，其中多个双接收器块耦合到线性链。我们解决的情况下，接收器和链之间的可切换和永久耦合。我们发现，该协议允许有效的双激发路由的费米子网络，虽然对于自旋$\frac{1}{2}$网络只有有限的区域的网络是适合于高质量的路由。
2020-11-27 cond-mat.other quant-ph
Balanced Routing for Symmetric Quantum Circuits
University College Cork（科克大学学院）
该研究针对对称量子电路路由的不均衡问题，通过分析拓扑约束提出均衡分配方法，可显著减少对称破坏，为量子编译器优化和芯片设计提供了对称性感知的目标方向。
2026-08-07 cs.ET quant-ph
On-Chip Microwave Quantum Hall Circulator
环行器是雷达系统、微波通信收发器和量子信息器件读出等技术不可或缺的非互易电路元件。它们的非互易性来自于在存在打破时间反演对称性的大体积磁介质的情况下，微波在厘米尺度的信号波长上的干涉。在这里，我们实现了一个完全无源的片上微波环行器的尺寸千分之一的波长，利用手性，慢光响应的2维电子气（2DEG）在量子霍尔制度。对于直径为330 μ m、中心频率为1 GHz的集成GaAs器件，在50 MHz带宽上观察到25 dB的非互易性。此外，可以通过改变磁场来动态地选择循环的方向，这是可以实现片上微波信号的可重新配置的无源路由的方面。
2016-01-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
