集成量子光电子学助推量子计算、量子通信和量子传感技术的发展。
图1. Quandela的独立单光子源。
在量子计算中，光子量子处理器与其他类型的量子比特相比，仍然缺乏量子比特（qubits）数量。但它们具有扩大光子量子处理器的规模的潜力。
对于一个全功能的光量子计算机，光子必须被生成、处理和检测。光子的产生是通过量子光源实现的，它产生的单光子可以被用来加密信息。线性光学的组合形成了必要的量子门，量子比特的信息在这里处理。最后，高效的单光子检测器检测这些光子，读取信息。
量子光子计算的神奇之处在于，所有这些构件都可以在光子集成电路(PIC)中实现。不同的有潜力的材料可以用作PIC的衬底， 例如绝缘体上二氧化硅(SiO2)、 绝缘体上硅(Si)、氮化硅(Si3Na4)、铌酸锂(LN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等等。不可避免的是，每种衬底的属性都不一样；每一种都提供不同的期望特征。需要有创新的解决方案，允许将这些衬底组合构成混合PIC。在不久的将来，我们将看到混合衬底的兴起，这种衬底将不同的光子技术结合到一个单一的功能单元中，设法克服单片光子电路的限制。
集成单光子源
单一光子及其在芯片上的状态对于所有基于光子的量子应用都是至关重要的。值得注意的是，通过主动将单光子流复用为不同的空间模式，为进行量子计算和高级量子传感的可能性打开了大门。
Quandela 公司 (法国巴黎) 是一家量子光源开发商和光子量子计算解决方案提供商，他们正朝着这个方向努力，他们的量子点是无差别单光子的高效来源。量子点是完全集成到半导体材料上的“人造原子”，遵循标准半导体工艺。
该公司通过其第一个独立的量子光源Prometheus (见图1)，将这一点又向前推进了一步。获得专利的光纤辫子技术允许在即插即用的19英寸机架中高度集成，为量子信息处理提供高质量的光子量子比特。
Sparrow Quantum 公司 (丹麦哥本哈根) 提供了一种单光子源芯片，作为基于GaAs平台的高效光子生成的可扩展解决方案，其中InAs量子点嵌入在光子晶体纳米结构中。对量子点周围环境的精确控制使得单光子生成的保真度达到了世界最高水平，并实现了多光子相互作用。Sparrow Quantum公司的下一步是开发一种用户友好的单光子源，实现即插即用的体验。
集成单光子探测器
对单光子的片上检测可以实现量子信息的最终读出。目前有几种单光子检测器技术，如雪崩光电二极管和超导纳米线单光子检测器（SNSPD）。
Pixel Photonics公司（德国明斯特）已经开发了一种将SNSPD集成到纳米光子波导上的方法。该技术与波导材料无关，允许将高度并行、高效和超快的单光子检测与各自应用的首选量子光子平台相整合。检测器的几何形状可以很容易地针对任何需要的波长进行优化，从紫外线（UV）到大约2微米。通过将无源（如氮化硅）或有源（如铌酸锂）量子光子元件与SNSPD的卓越功能相结合，Pixel Photonics公司的技术本质上适合于晶圆级制造，使需要高效单光子检测的量子光子应用的集成度达到一个新水平。
用于量子通信的集成光电子学
KETS量子公司 (英国布里斯托尔) 的量子安全使用集成光子芯片，即使在最具挑战性的环境中，也可以大规模部署灵活、经济高效且稳定的解决方案。在过去的五年中，KETS已经与多个行业的芯片开发商合作，包括在电信、政府、国防和金融等不同领域，帮助他们使用量子安全加密解决方案来保护他们的系统和数据。他们的技术使量子安全硬件小型化，其尺寸、外形和价位都能为量子时代的发展提供保障。
KETS公司与空客和其他合作伙伴合作，成功展示了无人驾驶飞行器 (UAV) 和地面站之间的量子安全通信 —— 这是迈向卫星量子密钥分发 (QKD) 的基石。
他们基于芯片的平台在极具挑战性的尺寸、重量和功耗 (SWaP) 限制下提供了原型解决方案。他们展示了在日光条件下，通过高损耗的自由空间链路 (约25 dB) 用千兆赫操作的发射机生成安全密钥。
在电信领域，KETS公司是ParisQCI的唯一的新的量子加密硬件供应商，这是迈向更大的、跨越整个欧盟的安全量子通信基础设施的第一步。为了在全球范围内推广这项技术，"建立一个标准化的量子安全网络架构"（BaSQuaNa）项目是英国和加拿大的合作项目，其总体目标是开发第一个跨大西洋的QKD通信网络。
数据中心是任何数据驱动世界的重要方面。KETS公司正在共同领导一个新宣布的1160万英镑的量子数据中心未来ISCF项目。该项目最终将使用KETS公司的开发工具包作为核心构建模块开发原型集成，并与最终用户一起测试和完善它们的完整应用。
可编程量子芯片和基于光子学的量子处理器
光子计算和处理在所谓的“超越摩尔”方法的范围内占据主导地位。由集成光电子学实现的对光波的振幅、相位和波长的控制操纵，是对仅使用电子的现有数字计算体系的根本进步。
iPronics公司 (西班牙巴伦西亚) 推出了第一款可编程光子处理器，具有广泛的应用范围，包括5/6G、通信、传感和计算 (见图2)。在光子计算方面，这项技术探索了光干涉，以超快和并行的方式执行矩阵向量乘法。通过整合单光子激光器和光电探测器，这些功能可以直接应用于量子计算。这将允许实现量子逻辑门，这是量子计算的一个关键推动因素。这些量子门的可编程性是通过一个用户友好的软件平台实现的，它释放了可编程光子学的全部潜力。
图2 . iPronics公司用于量子计算应用的光子处理器的运作。
QuiX Quantum 公司(荷兰恩斯赫德) 是光子量子计算硬件的全球市场领导者，这得益于其基于氮化硅波导的成熟基础技术 (见图3)。他们开发和销售市场上最强大的量子光子处理器。这些处理器已经成整个欧洲光子量子计算的事实标准。QuiX公司使用的专利三重氮化硅衬底平台，提供了一种可扩展的量子计算方法，具有室温操作的优势。它在个性化医疗、自动驾驶汽车和能量存储等应用中有潜在的用途。该公司的下一步是扩大其量子光子处理器技术，实现光子量子计算架构，以及对其完整系统之一实现云访问，在那里将有可能运行特定的量子计算任务。
图3. QuiX Quantum公司即将推出的52模量子光子处理器照片。该系统包含2652个可调元件，支持处理器的重新配置和编程。
SiPhotonIC 公司(丹麦Virum，) 旨在为商业客户和研究实验室带来快速而精确的量子光子集成电路(QPIC) 原型设计。该公司基于220纳米和250纳米绝缘体上硅 (SOI) 技术，设计和制造定制的QPIC。该平台是用为量子光子应用定制的低损耗光子元件开发的。根据客户的要求，它依赖于深紫外和电子束光刻工艺，交付时间至少一至三个月，这对于需要少量SOI样本，研发周期可以快速迭代是非常有吸引力的。对于定制QPIC项目，也可以考虑其他材料和工艺。该公司还通过第三方提供按需的额外后端服务。
SiPhotonIC公司在为国际知名研究团队和公司制造QPIC方面有着良好的记录，并在顶级期刊上发表论文。具有标志性意义的是，光的量子态的生成或采样、量子传送、量子纠缠、QKD、错误保护的量子比特以及其他量子通信和量子光子计算概念，都已通过使用SiPhotonIC公司的SOI平台的QPIC进行了演示。
SiPhotonIC公司开发的最复杂的系统之一，是为多维量子纠缠设计的单个可编程QPIC。为了实现这一目标，他们制作了一个可编程的光子芯片，将550多个光子元件集成到了一个芯片上，包括16个相同的光子对源。该多维系统展示了不曾被探索过的量子应用，例如量子随机性扩展和多维状态的自测。
SiPhotonIC公司的扩展目标包括发布基于最先进的氮化硅 (SiN) 和铌酸锂薄膜 (TFLN) 技术的专有平台，用于量子和经典应用的光子原型设计，以及产品开发。该公司的目标应用包括量子光子计算、量子通信和量子传感。
高度灵活、低损耗的光子多芯片集成
在一个全功能的光量子计算机中，需要整合上述有潜力的平台来产生、处理和检测光子。Vanguard Automation 公司(德国卡尔斯鲁厄) 的光子引线键合和3D打印微透镜技术，将这些不同的光学集成平台的互补优势结合到先进光子多芯片模块中，从而实现了达到全功能光量子计算机的挑战性要求所需的紧凑性、高性能和巨大的设计灵活性。该技术依靠高度精确的直写式三维激光光刻技术，在光学芯片之间打印自由形状的单模波导，从而为实现完全自动化的光子封装提供了路径，直至大规模生产，而不需要主动对准。
三维纳米打印也可用于在光学芯片和光纤上制造面状的光束塑造元件，从而实现高对准公差的低损耗耦合，并用于光学器件的晶圆级探测。光子线束和3D打印的微透镜已经在量子应用中展示了它们的能力（见图4）。
图4. 形成单模光纤和硅波导之间低损耗连接的光子线键（蓝色显示）的电镜图像。
第二次量子革命
虽然这项工作的大部分都处于发展阶段，但从迄今为止取得的进展来看，我们显然正在进入量子计算和量子通信的跨越式发展阶段，并处于第二次量子革命的边缘。
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