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未来十年，集成光子学将助飞量子革命（下篇）
未来十年，集成光子学将助飞量子革命（上篇）
（二）集成量子光子学中的单光子非线性
纠缠是量子网络中的一种有用资源。纠缠光子源在实现这种网络中发挥着至关重要的作用，类似于经典数据网络中的激光器。类似的设备还可用于产生预示单光子态和挤压光。集成光子学能够以可扩展的高效方式生成和操纵光量子态。纠缠光子可从无精细结构分裂的QD以及使用SPDC或SFWM的光泵浦非线性器件中产生。
当使用连续波光进行泵浦时，如果信号光子和惰性光子的联合光谱强度(JSI)不可分离，信号光子和惰性光子就会在时间-能量基础上发生纠缠。为了实现纯净、无差别的单光子预示源，可以通过器件设计和调整泵浦脉冲的特性来实现可分离的联合光谱强度。当用一串间隔很近的短脉冲对设备进行泵浦时，就会产生基于时间带的纠缠。通过使用各种波导元件，如分束器、偏振旋转器和移频器，还可以在空间、偏振、模式和频率域产生纠缠。高阶纠缠（维度 d > 2）允许光子传输更多信息（量子比特），而光子在传播过程中会不可避免地因吸收、散射或衍射而丢失信息。由于按需纠缠光子源的可扩展性尚未实现，目前的做法依赖于通过线性光门和后选择复用概率对源，但也有人提出了其他方案。
设备制造技术的最新进展使得人们能够用光刻技术制造出高度密闭的波导和紧凑的微谐振器，从而实现精确的色散工程。对于通过周期性极化薄膜材料实现准相位匹配 (QPM)，电子束光刻技术和光学光刻技术相结合，可精确定义短周期极化的电极结构，这对经典非线性光学也有好处。下表从集成光子学的角度比较了室温纠缠光子源的两种方法：基于χ(2)光学非线性的方法和使用χ(3)的方法。
虽然SPDC中使用的χ(2)非线性在未受约束的Si和SiN中不存在，但通过使用微谐振器和耦合微谐振器器件，可以增强较弱的基于χ(3)的SFWM非线性。要实现与χ(2)器件和同类QD技术相当的纠缠生成率，关键是要实现Qloaded>105的高品质因数，因为光对生成率与品质因数的三次方（约）成比例，同时还要支持高泵浦功率。
泵浦和纠缠光子对可置于电信波长范围内，在此范围内可随时获得低噪声泵浦激光二极管和滤波器。双泵浦SFWM工艺可用于产生频率衰减的信号光子和惰性光子，但需要额外考虑噪声管理问题。与光纤或SiN光源相比，硅SFWM中的拉曼噪声贡献是窄带的，并且在光谱上与泵浦很好地分离。硅微电子元件可以集成到硅光子结构中，或与硅光子结构一起使用，例如在波导横截面上制造的用于谐振监测的pi-n二极管，以及使用连续波射频输入产生短脉冲的阶跃恢复二极管，它们可以驱动EOM以形成光泵浦脉冲。
为了帮助实现纯预示单光子态，泵浦和信号光子或惰光子需要不同的波导-谐振器耦合系数。由于SFWM的波长相似，因此可能需要更复杂的耦合结构（如两点干涉耦合器） 。
虽然有可能在中心对称材料中诱导弱的χ(2) 效应，但也有可能将LN中SPDC的较强的χ(2)效应引入硅光子生态系统：例如通过使用TFLN和键合。SPDC需要短波长的泵浦；不过，尽管这些波长的微芯片级短脉冲激光器尚未普及，但775 nm的低噪声泵浦二极管已很常见。由于波导横截面积较小，与传统的LN SPDC波导相比，可实现显著的性能优势。TFLN中的波导具有较高的群速度色散，因此需要较短的QPM极化周期。传统的SPDC需要由锁模激光器产生超短光泵浦脉冲，这很难实现单片集成。虽然宽波长跨度的色散工程具有挑战性，但TFLN和其他χ(2)材料也可用于微谐振器配置，实现极高的非线性效率。
当前和未来的挑战包括：
1）提高纯单光子态的簇射效率
自发泵浦集成光源的效率很低（通常小于 10%），而使用QD则可实现大于50%的按需单光子概率。(使用不同的钝化效率定义，微光SFWM设备的钝化效率为50%）。要缩小这一差距，需要取得若干进展。需要在谐振装置中精确制造集成耦合结构，使泵浦与谐振器的耦合效率与信号/惰性光子的耦合效率不同。集成滤波器和预示探测器可以避免独立模块的插入损耗和实验复杂性。
目前，只有超导探测器显示出足够高的探测效率和低抖动，但它们与其他光子元件的集成可能比较困难。需要高消光比、低插入损耗的集成滤波器来隔离和过滤信号光子和惰光子，并转移剩余的泵浦光束。由于光纤芯片耦合并不完美，因此必须小心管理散射光。
2）复用
由于自发光源的预示效率基本限制在25%，因此多路复用对于提高预示单光子产生概率（每个泵浦脉冲）至关重要 。在面包板或光学桌面上已经演示了多种复用实验，包括需要非线性波长转换操作的频率复用方案。要实现微芯片级、低尺寸、低重量、低功耗(SWAP)和低成本的纯单光子准确定性光源，需要在光源亮度、不可分辨性、预示效率和单光子（前馈）切换方面进行工程改进。根据损耗水平和检测效率，可能需要几百个多路复用光源。虽然利用集成光子技术实现这种程度的集成并非不可能，但使用一些集成光子电路和一些分立光学元件的混合方法可能更加实用。
3）光源与量子存储器的兼容性
长寿命量子存储器的带宽通常比SPDC或SFWM产生的光子带宽窄得多，或者说，比使用QD或其他典型的单光子和光子对发射器产生的光子带宽窄得多。为了弥补这一差距，研究人员正在研究使用后向波QPM的窄带宽SPDC、通过跨导压缩带宽以及建造超窄线宽空腔。短极化周期的开发也有利于大波长之间的量子波长转换研究。随着前馈逻辑和/或单光子非线性的加入，利用集成光子学还可以实现高效的图态构建和纠缠净化电路。
这些进展将有利于开发用于互连的量子中继器以及量子传感和量子计算。
事实上，纠缠光子对源器件目前可从研究和商业来源获得，与晶体类似，可用于二次谐波产生和波长转换等其他非线性光学应用。然而，它们并不能满足构建未来可扩展量子网络的需求。除了技术性能方面的限制外，许多传统设计通常无法从现代硅基微细加工技术中获益，因为这种技术可以在一个晶片上实现成百上千个器件。虽然硅光子学显然（大部分）与硅微制造工业兼容，但其他性能更好的集成光子学方法也可能与硅工业兼容，包括LN等χ(2)材料。
现在，量子光子学设计人员可以从各种工程设计理念中获益，如异质键合、拾取贴装和转移印刷、制造后修整和可重新编程的光子电路。这些进展加在一起，将形成一套更加丰富的工具，用于应对构建低SWAP（尺寸、重量和功率）、低成本、可制造和高性能纠缠光子源的巨大挑战，以实现量子网络和QIP中的大规模纠缠分发和纠错。
与金刚石中的NV色心类似，硅晶格中也存在许多不同的发射中心。这些硅发射中心(SEC)在20世纪80年代被广泛表征，到了2000年代，希望为电信应用开发硅激光器的研究小组又重新开始关注这些中心。虽然有一份关于碳基SEC的激光G中心的报告，但有关SEC用于开发激光器的工作已基本放弃。许多SEC只能在低温条件下发光，这对电信行业来说并不吸引人，但却是量子技术中公认的一部分。由于SEC必须在硅带隙以下发光，而最高效的APD对硅带隙不敏感，因此在QIP方面对SEC的开发相对不足。随着超导单光子探测器的普及，人们终于可以对量子SEC进行研究。
许多SEC在硅带隙内形成状态，允许电注入。目前已经展示了几种电注入全硅发光二极管，包括带有W中心（基于硅间隙的SEC）发光二极管的电注入波导耦合低温光学链路。在所有SEC中，W中心和G中心的发光亮度最高，很有希望成为SPS。最近有人提出了一种硅光子自旋-捐献者量子计算平台，其理念是利用硅中铬化自旋量子比特之间的光子耦合。由于存在同位素纯硅，硅中的自旋量子比特具有超长的相干时间。同位素纯硅还被证明会对某些SEC的线宽产生有利影响。因此，如果能在硅中实现自旋光子界面，由于硅的这一特性和先进的制造能力，将具有显著的优势。稀土SEC具有非常稳定的跨晶体宿主发射，也已被研究用于量子应用。硅中的单个铒离子的光寻址与注入单个电子自旋进行操纵相结合，而不是使用寿命很长的光发射。
SEC通常通过离子注入后退火的方式生成。对于许多SEC来说，这一过程会对晶格造成严重破坏，从而无意中引入非辐射重组中心。人们对许多SEC的结构和这些非辐射中心也往往知之甚少。迄今为止观测到的单个G中心的发射显示出强烈的不均匀展宽。离子注入过程可能会产生许多不同类型的SEC，这为开发只产生感兴趣的SEC的过程提供了机遇，但也带来了挑战。对于许多应用来说，放置单个SEC也是必要的。对于SPS来说，还存在一些挑战。由于竞争性非辐射过程的存在，SEC的辐射寿命较长，从而降低了量子效率，同时也降低了最大重复率。
最近，人们才从碳植入硅的G中心和SEC中观察到单光子发射，而对许多其他SEC来说，单光子发射仍然难以实现。最有前途的SEC可能会在中红外发射，这是一个具有技术挑战性的波长范围。从电注入式SPS的角度来看，按需注入单个电子并产生无差别单光子的能力是一个神圣的目标，但仍需努力开发出实现这一目标所需的结构类型。对几种SEC的自旋光子特性进行了研究，包括Se、Mg以及G、W和T中心（均基于含碳或不含碳的间隙硅复合物）。Se+中心和T中心似乎都很有希望成为自旋光子界面，而在其他SEC中尚未观察到合适的能级结构。还有许多SEC尚待探索，很可能还没有找到最适合应用的SEC。对于自旋光子界面，发射器必须与光子腔强耦合：这就需要开发一个光子腔系统，所有光子腔都与发射器的零声子线共振，并且相互共振。
尽管自20世纪70年代以来，这一领域的研究就一直在进行，但人们对产生特定SEC的最佳条件、许多最常见SEC的形成物理原理以及非辐射重组的来源仍不甚了解。原子模拟、变能正电子光谱和卢瑟福反向散射等技术有助于阐明其中的一些特性。最终还需要对不同SEC的量子特性进行更多的研究。所需的主要技术改进是改进红外探测器和中红外超低损耗集成光子元件。随着技术的重大发展，SEC还有可能以其他方式为量子技术做出贡献：例如作为电注入低温硅激光器来泵送片上对源，或作为从低温到室温的光学接口。
硅发射器在多个方面为量子技术带来了希望。首先，它们可能会产生与硅兼容的电注入式单光子发射器，从而有可能实现各种量子信息实验。它们可以为具有超长相干时间自旋量子比特的系统提供自旋光子接口，从而为量子比特之间的长距离耦合提供机制。然而，要使这些技术成为现实，必须确定和研究正确的缺陷，并开发出所需的光子和电子接口。
自2010年提出将碳化硅作为金刚石之外的另一种宽带隙缺陷主材料以来，碳化硅就吸引了光子学和自旋电子学界的关注，因为它具有更高的光学稳定性和工业成熟度。
碳化硅作为衬底的优势包括晶圆级的可用性、二阶光学非线性的存在以及光电集成的简易性，然而，它的色心特性还有待探索。在过去的十年中，对二价和硅空位(SiV)中心（主要在4H-SiC聚合物中）的研究证明了电子自旋的微波和声子驱动相干控制、毫秒级自旋相干时间（即使没有同位素纯化）、无差别单光子发射，以及光子和光电设备集成。这些成果使碳化硅走上了一条充满希望的道路，为量子化学和计算领域的应用奠定了量子技术的基础。
虽然固态平台在可扩展性方面有很大优势，但由于与晶格振动的相互作用，光学活性缺陷的性能会受到影响。为了克服这一限制，在碳化硅中集成了色心光子学，这不仅提高了量子发射器的性能，而且还改变了量子发射器的模式。将SiV放入纳米柱后，自旋量子比特更精确的光学读取所需的光收集量增加了，而将SiV与纳米腔体集成后，零声子线(ZPL)的光发射得到了Purcell增强——这是量子应用中高保真无差别光子操作所必需的。由于色心具有较小的不均匀展宽和纳米器件的可扩展性，它有望克服各种量子光子几何中停滞不前的进展，而这些进展的实现已被证明对原子和QD系统来说是不切实际的。
部署基于光纤的量子网络将受益于电信范围量子发射器的存在是一大挑战。与金刚石缺陷和QD相比，4H-SiC中的硅空位和二价可提供更长的工作波长，而新出现的SiC色心（如NV和钒中心）目前正在1300-1550纳米范围内进行探索。
色心集成的一个主要挑战是定义明确的缺陷与异质外延薄膜不兼容。除了在硅上生长的3C-SiC立方层外，大多数碳化硅多晶类型都不能在牺牲基底上生长，其晶格失配阻碍了窄线宽色彩中心的形成。因此，在纳米器件中限制光线所需的结构与周围环境之间提供折射率对比的途径并不容易。不过，已经有几个成功的方向：光电化学蚀刻、碳化硅减薄并粘合到绝缘体上以及法拉第笼角度蚀刻。这些前景广阔的方法还有待发展成为量子技术商业化所需的晶圆级任意衬底工艺。
另一个令人兴奋的复杂挑战是利用具有长自旋相干时间的色彩中心实现高保真自旋光子接口，这对量子中继器的开发和群集纠缠态的产生至关重要。这项任务要求：a)具有合适纠缠方案的色心；b)通过缺陷的内在对称性、基底的同位素纯化、磁场核浴稀释或动态解耦控制实现优化的相干性；c)集成到具有有利偶极取向的低损耗纳米腔中，这将有力地促进无声子辐射发射；d)将高效的光耦合到物镜或光纤中。
为了应对光子量子模拟的挑战，需要将几乎相同的色心集体耦合到一个共同的纳米空腔中。需要既能制造低损耗纳米腔体，又能保持基底低应变的纳米制造技术，以实现腔体保护机制下的光物质耦合，从而探索极化子物理学。
最后，在同一芯片上制造具有超导探测器的碳化硅色心光子器件将实现完全集成的光子量子电路，并应用于量子计算。与其他竞争方法相比，这种方法的优势在于量子比特的长相干性、连通性和可扩展性。
在碳化硅中，NV色心的产生和相干操纵以及其自旋光子界面的理论建议都已得到证实。将这些电信范围发射中心集成到纳米光子器件中，并提高其自旋相干性，是一项正在进行的工作。在拟议的高速长距离量子计算和基于测量的量子计算中的应用很可能会接踵而至。
为了满足晶圆级和任意基底纳米制造的需要，将探索与在金刚石平台上开发的方法类似的离子束角度蚀刻方法。这些方法可用于加快实现高珀尔增强、空腔量子电动力学相互作用以及双元和簇纠缠的进度。
最近，在适当掺杂的衬底中，4H-SiC中的Purcell增强二价相干控制得到了原理验证。将这种方法推广到其他基底和色心，有可能提供更长的自旋相干时间和多功能量子硬件开发所需的替代波长，这将是迈向量子硬件集成的重要一步。
单个SiV的无差别光子发射的演示为实现多发射极纠缠和产生群集纠缠态奠定了良好的基础。将这一实验扩展到集成到纳米腔体中的色彩中心将提高纠缠过程的保真度。通过应变、电场或拉曼散射实现的局部波长调谐将使不同色心发射的光子发生纠缠。
由于碳化硅在电力电子和微机电系统中的商业应用，工业界对量子应用的参与，包括同位素纯化样品的商业供应、绝缘体平台上的碳化硅以及所需缺陷的原位掺杂，有望推动进一步的研究和开发。
在探索碳化硅中光学活性缺陷方面的十年投资，为量子硬件的商业集成提供了一个领先的平台。随着在衬底加工、光子设计以及光学和微波控制方面的进一步发展，SiC光子学和自旋电子学有望成为量子技术的中坚力量，为各种量子集成电路的关键工艺提供支持。
量子光源在1.3微米（O波段）和1.55微米（C波段）的电信窗口中发射光子，是基于光纤的长距离质量控制的基本构件。
一般来说，衰减激光器比较容易近似单光子特性。然而，衰减激光器的发射统计本质上属于经典性质，因此无法用于先进的质量控制方法。与此相反，固态量子发射器原则上可以按需产生单个光子。在这种情况下，高质量的半导体QD引起了极大的兴趣，并且可以利用现代纳米技术工艺以自组织的方式生产出来。事实上，发射波长在780纳米和930纳米左右的砷化镓和砷化铟QD是当今最好的单光子发射器之一。InGaAs QD也可以设计成以电信波长发射。
为此，必须采取适当措施缩小InGaAs和GaAs之间的晶格常数差异。对于1.3 µm波长的发射，应变减少层的方法已经建立并得到优化，而变质缓冲层则用于1.55 µm波长的发射。另外，也可以使用InP衬底实现1.55 µm的InGaAs QD。在所有情况下，都能证明SPS具有较窄的线宽和较高的多光子抑制能力。此外，基于1.55 µm QD的电驱动纠缠光子对源也得以开发，并可用于基于光纤的QC。
尽管在开发电信量子发射器方面取得了巨大的技术进步，但要打开光子量子技术的预期应用领域，仍有许多挑战和未决问题必须解决。在器件制造方面，重要的是要超越原理验证结果，以可控方式和高工艺产量实现单量子发射器SPS。这是一项具有挑战性的任务，因为所使用的自组织生长工艺会导致单个QD的位置和发射波长具有随机性，从而导致工艺良率通常在百分之几的范围内。关于光源的亮度，重要的是将光子萃取效率从迄今为止的小于40%大幅提高到90%以上。
一种很有前景的方法是将QD（确定性）集成到环形布拉格光栅(CBG)中，并在背面安装镜子，这样光子萃取效率可达到95%以上，Purcell系数接近30。此外，要将SPS作为光子量子技术的模块构件应用于未来，高效的片上耦合单模光纤至关重要。实现这种耦合的技术要求非常高：它不仅需要亚微米级精度的坚固机械对准，特别是在通常要求的低温条件下，还需要SPS和光纤之间的光学模式匹配。
此外，将光子无差别度提高到90%以上对于质量控制应用也非常重要。事实上，迄今为止，电信QD的光子无差别性在没有时间后选择的情况下一直被限制在20%以下——这是一个非常棘手的问题，原因在于QD的非理想晶体质量及其周围的半导体基质和异质器件概念的材料界面。最后，对于通过贝尔态测量进行纠缠交换的应用来说，必须非常精确地控制和稳定量子发射器的波长，使其保持在同质线宽的数量级上。
要解决实现理想的电信 SPS 所面临的各种挑战，必须进行广泛的技术开发。首先，最重要的是最大限度地提高发射器本身的光学质量，包括发射线宽、相干性和不可分性。在半导体QD领域，这主要影响外延生长。在这里，有必要敏感地优化层设计和生长参数，以便通过减少缺陷的结构提高QD的光学质量，或者为电信QD开发革命性的新生长概念。Hong-Ou-Mandel测量光子不可分性是对缺陷态等有害影响非常敏感的探针，可以为QD的迭代优化提供重要反馈。
除此之外，还需要建立和优化共振激发方案，如共振荧光和双光子共振激发，将其作为实验工具，以最大限度地提高光子不可分性。由于多种类型的量子发射器通常是通过自组装实现的，具有随机性，因此工艺成品率较低，因此开发和应用确定性纳米制造技术非常重要。其中原位电子束光刻技术非常有吸引力，必须加以采用和优化，以实现电信量子发射器的确定性器件集成。与此相关，为量子发射器的光谱控制开发高效、精确的技术非常重要。在这种情况下，通过附带的电控压电元件进行光谱应变调整极具吸引力。这项技术已成功应用于发射波长小于1 µm的QD，最近还被证明可用于电信O波段的确定性制造QD-SPS。
近年来，已经开发出了非常有趣的QD-SPS片上光纤耦合技术方法。已发表的成果有的是依靠光学对准结合粘合光纤，有的是依靠微机械光纤支架和微光学。在这些初步成功的基础上，必须进行进一步的技术开发，才能将光子耦合效率从迄今为止的几个百分点大幅提高到90%以上：例如使用CBG。
在电信O波段和C波段发射的量子光源是实现基于光纤的量子网络的最重要构件之一，可为全球量子互联网铺平道路。根据现有成果，QD-SPS是满足这些应用场景各种要求的非常有前途的候选器件。未来，开发具有最高光子耦合效率和最佳量子特性的模块化独立SPS至关重要：这种SPS可以方便地集成到量子网络中。
金刚石集成量子光子学在过去的十年中，人们一直在探索金刚石中的色心，目的是利用其光学可及自旋实现量子光子学和量子网络。
这些网络可由一系列节点构建而成，这些节点由嵌入纳米光子腔的色心组成，并通过通信光纤相互连接。这些节点可充当量子中继器和处理器，实现新颖的、以光学为媒介的纠缠拓扑结构，而光子损耗会使纠缠无法直接传输。这样一个网络的实现将使长距离QKD、分布式量子计算和增强型长距离量子传感等技术成为可能。
利用两个原色中心，即带负电荷的NV色心和带负电荷的SiV中心，已经在实现这一目标方面取得了一些突破。NV色心已被用于演示遥远自旋之间的无漏洞、光子介导的纠缠，以及以超过纠缠态去相干速率的速度确定性地传递纠缠。与此同时，NV自旋的相干特性也提高到了一秒以上 。邻近的核自旋也通过NV自旋被用作长寿命辅助量子比特和存储器，最终实现了10量子比特的量子寄存器和7量子比特的纠缠。
最近，SiV中心因其卓越的光学特性而备受关注。特别是，当SiV集成到纳米光子腔中时，它仍能保持电荷和光谱的稳定性。这一特性使得集成的、由SiV控制的单光子开关、两个SiV自旋通过光子腔的光学模式进行的相干相互作用以及记忆增强型光子贝尔态测量得以实现。纳米光子空腔所实现的自旋光子界面的合作性现在达到了100以上，从而表明巡回光子与SiV自旋存储器之间存在可靠的耦合。锥形波导可将发射到波导中的90%以上SiV光子提取到光纤中。由SiV色心组成的纳米光子器件与机械装置 和非线性光学平台的集成也已得到证实。
NV和SiV平台都已展示了创建量子中继器量子网络所需的单个组件，目前正在努力整合所需技术并提高光介导的纠缠速率。
目前，两个NV色心自旋之间以光子为媒介的最高纠缠速率为39Hz。这一速率受到NV向其ZPL发射光子的4%概率，和有限收集效率的限制。这可以通过将NV嵌入光腔来解决，在光纤腔的情况下，这种方法可使Purcell增强十倍。进一步的集成需要使用直接在金刚石中制造的纳米光子腔，而这又受到近表面NV光谱不稳定性的阻碍。
由于缺乏纯单晶金刚石的异外延生长技术，这种成功用于SiV实验的纳米光子腔仍然难以制造。相反，有几种技术已被用于在块状金刚石中切割器件。其中，晶体学蚀刻和角度蚀刻最有前途，但只能产生特定的器件拓扑结构。
此外，要实现大的自旋光子耦合，光子腔需要依赖小的模式体积。由于通过植入定位色心的精度有限，以及制造引起的损坏，可重复性仍然是此类空腔面临的挑战。晶体损伤还会导致光谱不稳定和中心之间的不均匀性。由于光子最容易耦合具有相同转换能量的发射器，因此这是将网络扩大到更大规模的一个限制因素。
设计更大的网络还需要将色彩中心集成到或耦合到其他光子平台，以实现光子路由、操纵和转换为电信波长。与其他量子计算平台（如超导量子比特或捕获离子）的进一步集成，将有利于采用混合方法实现QIP。
最后，通过寻找兼具卓越自旋和光学特性的新型色心，也能取得很大进展。这些特性可包括进入ZPL的高光子产率和接近统一的量子效率，在高温下具有光学寻址能力的长自旋相干时间，或对应变、电荷和磁噪声的低敏感性。
针对基于金刚石色心的量子网络所面临的挑战，正在进行的理论和实验研究工作提出了若干解决方案。
人们最感兴趣的是如何更好地理解和控制影响色心固有特性的各种因素。这对NV色心尤为重要，但也有助于开发新的表面处理方法、植入技术、退火参数、生长条件和新策略，如浅层植入后过度生长，从而改善所有形式的色心特性。
要缩小需要实验探索的新型发射体的范围，需要系统地了解发射体的理想特性，并进一步改进评估候选发射体的计算方法。降低低温技术的成本和提高其冷却能力的相关工作对于增加学术界和工业界获得新的色心技术的机会也很重要。
自旋光子界面空腔的改进及其与新技术的整合需要制造技术的进步。最先进的制造策略依赖于仍可进一步优化的底切光子器件，而涉及使用悬浮金刚石薄膜的新技术则需要更多的研究，这种技术可以实现更直接的器件制造。未来的金刚石平台还应继续集成微波、声学和机电功能，作为色心的控制机制。改善超纯金刚石基底的获取途径和现有基底的过度生长设施仍然是一项持续而重要的工作。
现有纳米光子器件设计技术的参数空间仍未得到充分开发。更大的模腔可与NV色心耦合，过耦合或超小模腔可实现更高的合作性或更高效的自旋光子门，反向设计技术可用于实现更复杂的器件特性。
最后，金刚石光子器件的永久封装允许同时寻址多个色心，这对大规模集成至关重要。这可以通过在现有器件上永久拼接光纤、与其他平台“拾取-放置”集成或倒装芯片技术来实现。
在纳米制造、理论理解和实验复杂性的推动下，与纳米光子器件耦合的金刚石色心已成为领先的光子学和质量控制平台。围绕NV色心的技术取得了最长足的进步，实现了长距离纠缠。随着色心与腔体集成技术的发展，纠缠率可提高到技术相关水平。SiV中心已成功地与纳米制造的空腔集成，并已用于演示QC速率的提高，而且正在朝着类似的长距离纠缠演示方向快速发展。与此同时，对其他色心的持续研究可能会发现能够结合现有平台最佳特性的发射器。这些平台面临的挑战主要在于大规模集成的道路上：因为量子网络技术近期应用所需的单个组件已经得到了验证。
波导QED为研究和调节光-物质相互作用提供了与腔体QED相辅相成的范例，而光-物质相互作用是最先进的芯片级光子学的基石。
多发射器配置的辐射行为受发射器相对位置的制约，从而可以更有效地控制光子传输，并有可能成为量子信息的原型元素。作为量子发射器，冷原子因其完美的相干特性，在很大程度上引领了强集成原子波导结构的工程设计。如图所示，与波导连接的发射器集合体会表现出无数奇异的现象，如单光子超辐射和亚辐射、非互惠光子传输和非对称法诺共振。当晶格周期等于波长的整数倍时，原子阵列的协同发射会保持洛伦兹曲线，衰减率呈线性缩放。通过激发光子之间的相互作用，多自旋团簇可以用作光学开关或几乎任何可能的量子门。
理论上已经证明，在不施加任何控制场的情况下，单光子在不同失谐的两级发射器之间的传输可以实现透明。发射的方向依赖性会导致左右传播模式的弛豫率不对称，从而显著改变传输。光纤介导的相互作用可灵活控制色散耦合和耗散耦合、水平排斥和吸引以及传感能力。所有这些想法都可以在各种热门实验模型中得到体现，如传输线上的谐振器、光纤附近的冷原子以及纳米线或光子晶体波导中与等离子激元耦合的QD。在固态候选物质中，一些很有前景的是外延生长的QD、金刚石和碳化硅等固体中的色心以及玻璃和晶体中的稀土缺陷。作为光子态工程的多功能平台，SFWM是以光纤形式实现各种量子现象的独特资源 。
目前，首要的挑战是为集成波导器件开发一个通用平台，以便于工业应用的扩展。人们已经广泛研究了纳米纤维引导的光在相同发射器周期性阵列中的传播。虽然这些研究为波导QED的新可能性铺平了道路，但其中大部分研究，从透明度的演示到非谐波的感应，都是以无损耗或低退相干模型为前提进行分析的。要更精确地实现这些效果，需要更好地控制入射波和散射波空间模式中的外来退相干和重叠。
事实上，如果考虑到当前的信息技术，目前唯一使用的光子是电信频率，而大多数开拓性成果都是在可见光和近红外领域揭晓的，在这些领域有大量方便的激光源和熟悉的高质量发射器。在单光子层面将光学频率转换为电信频率虽然对QIP很有意义，但仍然是一项挑战。基于金刚石的波导已经取得了显著进展。同样具有挑战性的是优化量子发射器本身的选择。一个明显的趋势是采用固态发射器，但不可避免的退相干和声子的强散射降低了这些发射器的质量，即使在低温条件下也是如此。不过，一般波导-QED 模型中的退相干通道的影响已从理论上进行了严格的第一原理研究。金刚石中的NV色心可以提高低温下的相干性，但纳米结构的内在缺陷可能会成为一个问题。通过将光子空腔与波导集成，可以在一定程度上克服耦合不足的问题，但遗憾的是空腔体积较大。
以前，晶体中的稀土离子因其非常微弱的光学转变而被忽视，但现在，稀土离子通过其电信转变和在光子晶体空腔中的强附魔(enchantment)可能性显示出了其功能性。此外，一般来说，手性波导为操纵光子散射提供了完全不同的设置。因此，手性特性的可控性和单向发射的可行性值得进一步研究。最后，在量子态产生方面，光纤中的非线性方法（如FWM）正在取得成功。
尽管在过去二十年里，波导集成装置中光子传输的实验研究速度有所加快，但当务之急是不断升级，以弥合理论与实验之间的鸿沟。
腔体QED中亚波长尺寸的模式体积使得超强的原子-光子耦合成为可能，然而许多基于波导的平台在实现芯片级光学器件制造所需的高效光子-发射器相互作用方面仍然落后。有趣的是，冷原子界现在不仅在研究与波导耦合的多原子系统，还在研究用原子阵列本身构建波导的可能性。利用基于金刚石的平台，涉及SiV中心的强耦合、光子的全光切换以及在金刚石制造的全光腔中实现量子门的几项惊人成果得到了证实。
虽然碳化硅色心在向工业友好型应用发展方面显示出明显的前景，但与基于金刚石的结构相比，它们还有许多工作要做。在纳米晶体本身的定位甚至制造方面已经取得了许多进展，这为这些系统与纯金刚石空腔或碳化硅空腔竞争创造了潜力。近来，等离子体结构的重点是开发低损耗表面等离子体极化子以及生长低损耗等离子体材料。在光纤中实现自发FWM时，可为光谱、时间、空间和偏振模式的光子纠缠工程提供大量方法和参数空间。另一方面，先进的光纤色散管理方法可能有助于纠缠时间工程。作为最近的趋势之一，使用交叉偏振泵浦和边带的全时调频作为一种强大的量子纠缠资源得到了越来越多的应用，从而能够创建强反冲预示单光子的高效光纤源和高亮度纠缠光子对 。
发射器之间以光纤为媒介的相干性有助于发挥这些设备的传感潜力，还能产生发射器之间的远距离纠缠。为了灵巧地探索与光纤波导耦合的量子比特中的拓扑现象，需要在现代纳米制造方法的基础上采用更先进的技术来提高量子比特与波导的耦合度。
随着波导QED取得的巨大进步，波导集成电路和网络正在不断拓展纯光学QC的研究前沿。在与空间上分离的发射器阵列的光子相互作用中，多个发射途径之间的类似法诺的干扰使得光子传输具有很强的非互惠性，并且对空间分离非常敏感。此外，手性耦合的调节为光纤集成多发射器设备带来了巨大的信息处理潜力。发射器之间介导的耗散相互作用使人们不仅能缠绕这些发射器，还能探索特殊的点诱导相变，而无需像直接耦合系统那样借助外在增益。
最后，在波导和光纤系统中定制的光场提供了广阔的参数空间，定义了光子的空间、时间、光谱、偏振和自旋模式，从而为量子信息科学、量子计量学和超高分辨率量子成像开辟了新的途径。
QFC通常指光量子态（如单光子态）在不同频段之间的光谱转换。在量子网络中，它在量子信息科学与技术中的作用得到了明确界定，可以实现可见波长本地量子系统（如量子存储器）之间的电信波长光纤链接。更广泛地说，在不同波长运行的量子系统之间建立互联也需要QFC，例如，将捕获离子量子处理器与中性原子集合量子存储器连接起来。尽管不断改进的超导单光子探测器技术已经实现了从紫外线到近红外的高效低噪声探测，但QFC在将光子转换为单光子探测器性能最高的波长方面也可能具有相关性。
QFC的两个主要要求是转换效率高，这样才能将大部分输入光子通量转换为目标输出频率；附加噪声低，这样才能使输出频率通道主要由输入光源发出的光（而不是杂散光子）组成。自QFC首次在文献中被明确讨论以来的30多年里，非线性光学技术的进步，特别是基于准相位匹配非线性晶体和光纤中四波混频的和频和差频产生技术的进步，推动了高效低噪声QFC的演示。真正SPS的QFC现已多次得到证实，近年来已被用于连接不同的系统，如冷原子气体（波长780纳米）和固态晶体（波长606纳米），以及在大于20千米的光纤链路上实现铷量子存储器（波长780纳米）的纠缠。
对于许多需要离散QFC元件的此类实验来说，操作蓝图已经确定。材料的色散会在非线性过程所涉及的场之间产生相位失配，如果不进行补偿，就会限制可实现的最大转换效率。镧系元素等材料结合了通过周期性极化实现准相位匹配的能力——这是克服色散的一种特别有效的方法，以及强大的非线性系数和宽带光学透明度，从而在某些情况下显示出接近统一的内部转换效率。波导几何结构提供了几厘米的相互作用长度，同时保留了足够宽的带宽，适用于各种量子源和存储器。
低噪声运行通常需要在介导频率转换的泵浦源（其功率很容易大于输入量子光源的10^13）与输入信号频率和目标输出频率之间有较宽的光谱间隔。再加上适当的光谱滤波，这就限制了宽带过程（如拉曼散射、参数荧光和缺陷介导荧光）产生与输入和输出频率通道重叠的噪声的程度，尤其是在可以选择长波长泵浦的情况下。
尽管现有的QFC技术已被用于帮助构建基本量子网络，但仍有许多领域需要进一步发展。跨越大光谱间隙的QFC：例如从可见光（或紫外光）到电信，仍然是一个挑战，因为大于300太赫兹的频率分离确保了在单个三波混频过程中，泵需要放置在输入和输出频率通道之间，从而难以同时实现高转换效率和低附加噪声。更宽的频率间隔也会使极化（和其他相位匹配技术）变得更加困难。异构量子网络面临的一个特殊挑战是，不仅需要匹配光子频率，还需要匹配带宽（更广泛地说，是时间轮廓），以确保在量子存储器等设备中以最佳方式存储频率转换后的光子。非线性光学提供了一些可以实现这种时间整形的机制，不过这个问题也可以通过其他量子网络组件（例如在量子光产生或量子存储器阶段）来解决。
一个重大挑战是如何广泛部署QFC系统。除了非线性介质和泵浦激光器，QFC通常还需要光纤耦合器、波长（去）复用器和窄带光学滤波器来创建一个完整的设置（这些组件还将整体转换效率从接近统一降低到 ≈50%）。这种激光器与线性和非线性光学器件的组合可以在台式装置中实现，但这种系统的尺寸、重量和功率要求并不适合在所有环境中部署。集成光子学提供了一条令人信服的途径，将这些功能结合起来，在一个可部署、可扩展的平台上创建完整的QFC系统。
1）用于QFC的材料
虽然硅纳米光子学的成熟性为尽可能采用该技术提供了强大动力，但其应用通常需要增益、宽带光学透明性和快速低损耗开关等功能，而这些功能在硅材料中不易实现。这就促使人们研究具有更合适的特性，但仍可采用类似纳米制造工艺的平台。对于非线性光学而言，LN仍然是二阶工艺的首选，其薄膜形式为色散控制、功率降低和集成提供了新的机遇。AlN是另一种薄膜形式的宽带隙二阶非线性材料。对于三阶非线性过程，SiN和Ta2O5具有宽带光学透明度，其非线性系数比二氧化硅光纤大一个数量级以上，而二氧化硅光纤几十年来一直是主流的四波混合平台，并被用于基于四波混合布拉格散射过程的QFC实验。
只要选择适当的材料成分，InGaP和AlGaAs系列的III-V材料就能提供足够宽的光学透明度和非常大的光学非线性（二阶和三阶），而金刚石则可能是三阶QFC应用的自然选择，这些应用涉及其色心量子发射器和/或自旋。
2）控制非线性过程
与光纤或硅平面光波电路等传统几何结构相比，纳米光子几何结构具有更强的光学约束能力。这种限制的后果之一是对色散的影响，因为波导核心内的场强部分在很大程度上取决于波长和核心几何形状。因此，通常可以通过精确定制纳米光子几何形状来补偿材料的固有色散，从而提供相位匹配，使QFC配置得以实现，否则很难实现。
例如，最近在氮化硅微镜中展示了980纳米和1550纳米之间的四波混合QFC（片上效率≈60%），其光谱间隙比以前在光纤中展示的更宽；还有人提出使用类似器件实现高效、低噪声的可见光到电信QFC。几何色散工程也可以与准相位匹配相结合。此外，纳米光子学还能提供其他移频机制，例如基于声光学的移频机制，在某些情况下可以使用。
3）低功率QFC
在传统准相位匹配波导中，高效QFC的典型泵浦功率约为100 mW，而在光纤中，通常需要瓦特级的功率。由于约束和长光子寿命的共同作用，纳米光子几何结构可以降低这种功率，尤其是采用微谐振器几何结构时。前面提到的氮化硅微孔QFC在≈10 mW功率水平上实现了很高的效率，通过改进腔体性能（更高的品质因数）或使用更多的非线性材料（如宽带隙III-V系统），应该有可能将功率降低到1 mW水平。
芯片集成激光器可以轻松获得这样的功率；另外，它还允许单个片外泵浦激光器为多个QFC元件提供服务。虽然谐振腔限制了光子转换带宽，但对于大多数高性能量子发射器（包括InAs/GaAs QD）来说，高品质因数集成微腔典型的≈1 GHz带宽是足够的。
4）了解并降低噪声
纳米光子QFC平台的一项重要任务是了解附加噪声源。虽然预计主要噪声类别将包括拉曼散射、自发参量过程和荧光，但必须结合所研究的材料平台和几何形状来理解和描述每种噪声。此外，虽然纳米光子几何形状可以增强目标QFC过程，但也可能增强不需要的噪声过程。除了产生虚假光子之外，热折射噪声还可能限制转换光子的频率稳定性，这在使用窄线宽光源时非常重要。
5）整合
追求纳米光子QFC的最重要原因之一是其与其他光子技术无缝集成的潜力，这可以简化全QFC系统在应用中的部署。除了将QFC元件与线性元件（如滤波器和耦合器）相结合外，与泵浦激光器和其他量子光子元件（如SPS和固态自旋）的集成也是可行的，特别是在结合了不同材料优势特性的混合光子平台中。
QFC是实现量子网络光子互连的重要物理资源。虽然基于传统非线性波导几何结构的现有QFC器件已被用于构建早期量子网络，但集成纳米光子平台可在未来构建更复杂、功能更强的网络中发挥重要作用。它们在非线性过程控制、尺寸、重量和功耗、与泵浦激光器和其他光子元件的集成以及底层制造工艺的可扩展性方面具有明显优势。虽然在了解这些平台的噪声产生方面还有很多工作要做，但它们有可能使QFC成为量子信息应用中真正即插即用的组件。
量子光子集成电路(QPIC)提供了面向固态量子应用的稳定性和可集成性，因此受到越来越多的关注。通过将量子信息编码到光学光子中，QIP、QC和量子计量将受益于玻色载流子的优点，包括高传播速度、长传播距离和无限维希尔伯特空间。量子两级系统带来的单光子非线性对于未来的量子信息技术至关重要，因为它们是量子光子逻辑门、确定性SPS以及耦合远距离节点以形成量子网络的基石。
微波光子可由超导量子电路处理，在低温条件下，约瑟夫森效应固有的无损非线性可实现接近纠错阈值的高保真量子操作。然而，在光学频率下，单光子非线性的缺失一直是开发量子光子电路的主要障碍。虽然实现量子门所需的光子-光子相互作用可以通过原子或类原子固态发射器的光-物质相互作用来介导，但它们对低温的要求大大降低了便携式设备的前景，而且扩展此类系统的途径仍然具有挑战性。
非线性光学材料和微/纳米谐振器方面的最新进展使利用体光学非线性的单光子非线性成为可能。这种方法的一个显著优势是其在无发射器、室温量子光子学应用方面的巨大潜力。
要确保在单一平台上实现FOM的最终优化，还需要解决以下几个技术难题：
1）Q值和V值之间的权衡
要实现单光子非线性，高Q/V谐振器总是必不可少的。然而，腔体的Q值通常会随着其尺寸的缩小而降低。例如，微型谐振器(V ∼ 100(λ/n)3)的Q值为10^6，而光子晶体纳米谐振器(V ∼ (λ/n)3)的典型Q值为10^4，这主要受制于制造过程中的散射损耗和器件尺寸极小时的辐射损耗，而不是材料的固有特性（n为折射率）。因此，通过精心的器件设计和优化的制造技术，有望在不久的将来大幅降低损耗。
2）集成空腔的相位匹配
在满足相位匹配条件（动量守恒）的情况下，耦合率g不为零，这对微腔甚至纳米腔的要求很高。在微镜方面取得的重大进展包括模相、准相和循环相匹配。然而，就光子晶体纳米腔而言，其超小型模式体积存在较大的指数色散（动量不匹配），需要更严格的相位匹配条件，其有效非线性度χ(2)和空间模式重叠度γ迄今远未达到最佳状态。
为了规避上述挑战，许多进步都将极大地促进采用体光学 χ(2)非线性的集成量子光子学中单光子非线性的未来部署。这些进展包括：
1）超低损耗材料平台
基于不同材料的几种集成平台已被用于非线性和量子应用。每种材料都有其优缺点。然而，由于具有显著的χ(2)非线性和超低损耗，有两种平台在单光子非线性方面特别有前途：
- 绝缘体平台上的LN
薄膜LN具有较高的EO系数(r33 = 32 pm V-1)、显著的二次非线性(d33 = 30 pm V-1)和较宽的透明窗口(350 nm-5 µm)，自其作为超低损耗集成光子学平台被证明以来，最近已跃居芯片级非线性和量子光学研究的前沿。
- 绝缘体平台上的 (Al)GaAs
与用于集成非线性和量子应用的常用介电材料相比，(Al)GaAs在 χ(2) (d14 = 119 pm V-1)和χ(3) (n2 = 1.6 10 - 13 cm2 W-1)两方面的非线性系数都是最高的，而且它的高折射率提供了高光学约束和小模式体积。
2）新型光子结构
由于传统微孔谐振器在Q值和V值之间存在权衡，因此理论上提出了一些新型光子结构，如微柱和栅格板空腔，以及利用连续体中束缚态的异质结构光子晶体板空腔，以同时确保高Q值/V值和大的模式重叠因子γ，这对于接近单光子非线性FOM的统一性至关重要。
尽管最近在薄膜LN和AlGaAs集成电路的超低损耗演示及其显著的χ(2)非线性方面取得的进展显示出非常令人鼓舞的性能，但采用体光学非线性的集成量子光子学中的单光子非线性研究仍处于早期阶段，实验实现仍有待论证。要达到单光子非线性状态，需要在高Q/V集成谐振器制造和强χ(2)耦合器件设计方面取得进一步突破，为实现无发射极室温量子光子应用铺平道路。
在多个物理平台中控制量子相干和纠缠的能力现已达到一定水平，大量工业资源正被用于实现大规模量子集成电路的前景。
其中一个平台是在微波频率下运行的超导电路。微波频率光子被用来存储、处理和控制这些系统的内部量子动力学。最近最引人注目的表现是谷歌公司于2019年在一个由53个微波频率量子比特组成的处理器上取得的成果。尽管这项实验证明量子处理器可以执行经典计算技术无法完成的任务，但在“有用的”量子计算算法能够常规用于解决真正的科学、工业和商业问题之前，可能还需要实现由更多量子比特组成的更大规模的系统。
促进扩展的一种方法是实施量子换能器(transducer)，使其成为量子数据中心中遥远的微波频率节点之间的透明接口。这种方法的优势在于，它可以提高系统设计的模块化程度，实现能够更高效地执行某些任务的专用（可能是异构）子单元，并通过将计算任务分配给许多可以独立运行的低温系统来实现更大的规模。解决这一问题的自然方法是实现微波-光学转换器，在微波和光学光子之间进行有效的相互转换。微波-光学转换器最重要的特性是光子和微波光子之间的纠缠生成率，这是考虑到对耗散功率和光吸收造成的其他有害影响的限制。
其他重要因素还包括带宽、效率、转换器是否支持预示操作，以及是否易于扩展到更多通道。从根本上说，改变光子频率必须发生非线性过程。在现阶段，硬件仍是主要挑战，也是本路线图的重点。
1）品质因数
在大多数方法中，光与微波之间的有效相互作用率可以用一个称为耦合率g0的参数来捕捉。在EO换能器中，微波谐振器具有振荡电压V，该电压滴过集成电光谐振器的电极，其调谐系数为gV Hz V-1。耦合率g0是微波电压的真空波动引起的环氧乙烷腔的光频波动，即Vzp = ω sqrt(hZ/2)。
对于标准微波谐振器来说，这一数值通常在几微伏的量级，而利用超电感的高阻抗谐振器则能达到几百毫伏的Vzp量级。
在许多系统中，环氧乙烷调谐率gV/2π在1 GHz V-1量级，从而导致集成腔环氧乙烷器件的耦合率g0/2π在1-30 kHz之间。在集成光机械传感器中，表示光机械耦合的一个密切相关的参数值可超过1 MHz。相互作用率只是其中的一部分，其他重要参数包括光学和微波模式的线宽κa、κb。转换带宽 Cκb 与泵功率成比例，由于带宽随功率变化而变化，因此每比特的能量变化简单地表示为E ≈ hωa(κa/g0)^2 。
2）电光转换
微波到光学转换的直接电光转换方法使用电光材料，通过三波混频相互作用实现光子频率转换。入射的微波光子会产生一个电场，调制环氧乙烷材料的折射率。当用强光束泵浦时，这种耦合会将微波光子散射为边带光子，而泵浦光子则起到保存能量的作用。这种三波混合过程是双向的，可实现微波光子和光学光子之间的量子态转移。该过程也可配置为产生微波和光学光子的纠缠对。通过在单个设备中集成低损耗超导微波和光学谐振器，这些系统的效率通常会得到提高。通过将相互作用的光子限制在较小的体积内，并使电极尽可能靠近光场，三波混合过程得到了增强；但是，微波谐振器使用的金属会造成光损耗。超导电路也会因入射光泵浦光子产生准粒子而增加损耗，因此显然需要进行适当的代码设计。
3）光机械转换
光机电转换器采用两步法进行微波到光量子的转换。首先将微波光子转换为频率相同的机械声子，然后声子在光机械腔中与泵浦光学光子发生散射，在那里它们结合成转换后的光子。不同的压电材料，包括GaAs、AlN和LN，都已演示了压电-光机械频率转换器。最近的开发重点已转向不同材料的异质集成，例如硅基氮化镧和硅基氮化铝，因为转换过程中涉及的两个步骤有利于不同的材料特性。异质集成可将硅OMC中的大光机械耦合与LN或AlN的高压电性结合起来，从而实现比单一材料转换器更高的光机械耦合或更高的微波-机械转换效率。
4）控制耦合和噪声
操作转换器的一个重要因素是光纤到芯片的耦合效率。有效地将光耦合进和射出光结构是所有设备类型面临的共同挑战。由于量子微波系统的工作温度极低（小于1K），因此光耦合方案还必须能够承受热循环引起的热应力。
锥形光纤耦合的特点是，锥形光纤对准芯片上的波导，以渐变方式耦合到芯片上的波导，在低温条件下实现了宽带运行，效率大于90%。边缘耦合也已在低温条件下得到验证，但也需要原位对准。一般来说，需要原位对准的方案不能很好地扩展到涉及许多光学器件的大型系统。室温下常见的耦合技术是利用芯片表面的光栅图案将芯片外的光散射到波导中。最近的一次演示将角度抛光光纤粘在光栅耦合器上，并将设备冷却到小于10mK。该技术对热应力造成的偏差具有相对较高的耐受性，使耦合效率达到25% 。要实现确定性量子操作，还需要更高效的方法，而目前还缺乏可推广的解决方案。
尽管人们一直在努力提高微波和光学频率之间的QFC效率，但最先进的转换器仍受到附加噪声或高能耗的综合影响。为了最大限度地减少转换过程中的附加噪声，需要对相关微波/机械模式进行有效的热处理，以保持尽可能低的热占用。对于压电-光机械转换器来说，泵光子的吸收会产生热量并增加机械模式的噪声，这是主要的噪声源，尤其是对于一维光机械转换器来说。在低温光学机械和压电-光学机械测量中，脉冲泵已被广泛采用，并有足够的时间间隔让机械模式弛豫到基态。另一方面，微波电路容易受到杂散泵浦光子产生的准粒子的影响。需要注意尽量减少这种负面影响。
我们讨论了目前最先进的环氧乙烷转换器，这些转换器要么在具有高环氧乙烷系数的材料（如LN）中使用直接环氧乙烷效应，要么使用间接压电-光学机械方法。实现高效转换仍然是一项艰巨的任务，需要对整个异构系统的每个部分进行优化，并实现超高性能。
在解决所有剩余技术难题的几条前进道路上，我们期待换能器在未来十年成为现实，并在量子计算、通信和传感领域实现各种令人兴奋的新应用，同时成为新兴量子互联网技术基石的一部分。
集成电路已广泛应用于经典光学和量子信息技术领域。为了充分利用集成光子学提供的强大功能（如高电路复杂性、集成密度和稳定性），需要将高性能光电探测器与 PIC 进行有效的片上耦合。
在这方面，SNSPD器件是一种最有前途的技术：它们能够在可见光到中红外的单光子水平上进行光探测，能够以简单的方式制造（在一个光刻步骤中将超导层图案化），并允许将探测器与引导光学模式的蒸发场有效耦合。在大约十年前首次展示了波导集成SNSPD之后，研发工作产生了具有卓越性能指标的设备，如片上检测效率大于90%、定时抖动小于20 ps、低噪声且暗计数率在mHz范围内，以及超快恢复时间使最大计数率超过1GHz。
光纤耦合和波导集成SNSPD通常使用的超导材料包括纳米晶（如NbN和NbTiN）和非晶（WSi和MoSi）薄膜，最常见的沉积方法是磁控溅射。薄膜沉积和纳米线器件制造与主要的集成光子学材料兼容，因此可以在SOI、SiN、GaAs、AlN、LN和金刚石平台上成功实现波导集成SNSPD。在高性能探测器的确定性集成方面也取得了重大进展，例如通过拾取和放置方法或在预选纳米线器件上制造光子电路。
尽管探测器性能卓越，实现PIC的选择也多种多样，但要实现由大量SNSPD（≫1000个）组成的复杂PIC仍需应对若干挑战，这些PIC可重复制造并可靠运行，同时最大限度地降低性能折衷或妥协。
当前的研发工作旨在进一步提高单器件级SNSPD的性能指标。由于一些QIP方案对某些探测器参数，特别是探测效率和最大计数率有严格要求，因此需要性能更强的SNSPD器件。光子数分辨率(PNR)是许多量子协议和线性光量子计算所需的另一项重要能力，而SNSPD通常不具备这种能力。另外，过渡边探测器也能提供光子数分辨率，但它们通常需要在100 mK范围内的低温下运行，而且存在复位时间慢（微秒级）和定时分辨率有限的缺点。依靠超导纳米线阵列中的空间复用技术，具有伪PNR的SNSPD的开发取得了重大进展。
要达到GHz的探测速率，就必须将探测器的复位时间降至亚纳秒级。虽然减少器件长度可以降低动感，从而降低检测脉冲衰减时间常数，但由于波导-检测器相互作用长度的减少，这种方法对片上检测效率造成了限制。通过将SNSPD与一维和二维光子带隙空腔集成，提高了短纳米线的片上检测效率，从而成功地解决了这一难题。然而，如何同时优化几个关键检测参数并将它们与（伪PNR功能相结合，仍然是一项重大挑战。
此外，可扩展性和良品率，即在严格控制临界电流、片上检测效率和定时分辨率等特性的情况下可重复制造波导集成探测器的能力，也是当前面临的首要挑战。此外，实现具有多个独立寻址波导集成探测器的大规模系统也会给读出方案带来挑战。虽然最近利用行列式多路复用架构实现了适用于成像系统的自由空间耦合千像素SNSPD阵列，但要展示与复杂的集成量子光子器件网络相结合的更大系统，还需要复杂的接口和多路复用解决方案。
为了应对当前与大规模制造和产量有关的挑战，必须更好地理解纳米级材料结构/化学成分、纳米制造工艺和由此产生的超导设备特性之间的关系。迄今为止，非晶超导体似乎有利于高产率制造具有一致特性的SNSPD。材料科学和制造技术的进一步发展，再加上用于缺陷分析的表征和计量工具的发展，也将允许对SNSPD失效机制进行局部识别，这反过来又将为工业探测器制造工艺的合理发展提供重要投入，以实现卓越的器件可靠性。
波导集成SNSPD是量子光子学的核心，因为它们能够直接在芯片上对量子态及其干涉进行可扩展的测量。目前，量子光子学界正在努力突破单探测器度量的极限。总体目标是实现与SNSPD共同集成的复杂量子光子电路，为新兴的QIP应用提供前所未有的性能和功能。随着光子量子电路的复杂性不断增加，连接和处理单个光子和超导元件的创新方法将变得越来越重要。
超低照度下的探测对于成像和遥感应用至关重要，也是量子信息系统和互连的核心。SPD是量子光子学的关键构件设备，它将量子光学电路集成到利用先进的Si-CMOS处理和异质集成的高密度集成芯片级平台上。
商用SPD有多种技术可供选择。性能最高的探测器基于超导纳米线，具有较高的单光子探测效率和较低的暗计数，缺点是需要冷却到4 K以下，因此在许多应用中并不实用。另一种替代技术是单光子APD(SPAD)，它利用电荷乘法将单个光生载流子转换为可检测的电流脉冲。基于硅的SPAD在可见光和近红外波段具有很高的效率，而InGaAs版本则可在电信波段工作。在室温附近工作的能力增加了这项技术的吸引力。在可扩展的CMOS制造量子集成光子平台中采用这种技术，是实现可部署的低功耗量子设备的理想选择。实现这种集成的途径之一是在硅上外延生长Ge，并将其用于单独的吸收和电荷倍增APD(SACM-PD)。
由于光吸收材料的带隙，半导体光电探测中产生的热量是固有的，可以通过极度缩小吸收材料的体积以减少块体和表面缺陷的影响，并通过冷却器件来缓解。单光子检测效率和暗计数率是器件盖革模式工作的复杂函数，主要取决于栅极持续时间、重复率、过偏压、温度和器件尺寸。对于先进的量子互连应用，由于每个光子的珍贵性，需要大幅提高非制冷集成SPAD的性能。
此外，带有选定波长吸收器的非低温冷却SPD还可用于多种应用，如扩大激光雷达系统的范围、提高辐射探测的闪烁度、降低焦平面阵列成像仪的功耗，以及用于芯片原子传感器的量子传感。这些基于半导体的器件与先进的CMOS制造工艺兼容，而且随着异质集成技术的进步，可以集成到复杂的光子电路中。要充分发挥这些器件在量子互连方面的潜力，还需要进一步研究和开发集成SPAD器件。
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