基于硅納米光波導(dǎo)的大規(guī)模集成光量子芯片(可實(shí)現(xiàn)對(duì)高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測(cè)量)

　　

　　集成光學(xué)量子芯片技術(shù)基于量子力學(xué)基本物理原理，使用半導(dǎo)體微納加工工藝實(shí)現(xiàn)單片集成光波導(dǎo)量子器件(包括單光子源、量子操控和測(cè)量光路，以及單光子探測(cè)器等)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子信息的載體單光子進(jìn)行處理、計(jì)算、傳輸和存儲(chǔ)等。集成光學(xué)量子芯片具有集成度高、穩(wěn)定性高、性能好、體積小、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)被普遍認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)光量子信息應(yīng)用的有效技術(shù)手段。

　　

　　利用硅基納米光波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光量子芯片具有諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，例如與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容、可集成度高、非線性效用強(qiáng)，以及工作波長(zhǎng)與光纖量子通信兼容等。然而，迄今為止光量子芯片的復(fù)雜度僅限于小規(guī)模的演示，如集成少數(shù)馬赫-曾德干涉儀對(duì)光子態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單操控。因此，我們迫切需要擴(kuò)大集成量子光路的復(fù)雜性和功能性，增強(qiáng)其量子信息處理技術(shù)的能力，從而推進(jìn)量子信息技術(shù)的應(yīng)用。

　　

　　相干且精確地控制復(fù)雜量子器件和多維糾纏系統(tǒng)是量子信息科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)難點(diǎn)。相對(duì)于目前普遍采用的二維體系量子技術(shù)，高維體系量子技術(shù)具有信息容量大、計(jì)算效率高，以及抗噪聲性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。最近，多維度量子糾纏系統(tǒng)已分別在光子、超導(dǎo)、離子和量子點(diǎn)等物理體系中實(shí)現(xiàn)。利用光子的不同自由度，如軌道角動(dòng)量模式、時(shí)域和頻域模式等，可以有效編碼和處理多維光量子態(tài)。然而，實(shí)現(xiàn)高保真度、可編程及任意通用的高維度量子態(tài)操控和量子測(cè)量，依然面臨很多困難和挑戰(zhàn)。

　　

　　針對(duì)上述問題，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)、北京大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)、德國(guó)馬普研究所、西班牙光學(xué)研究所和波蘭科學(xué)院的科研人員密切合作，取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的多路徑加載高維量子態(tài)方式，即每個(gè)光子以量子疊加態(tài)的形式同時(shí)存在于多條光波導(dǎo)路徑，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高達(dá)15×15的高維量子糾纏系統(tǒng)。通過可控地激發(fā)16個(gè)參量四波混頻單光子源陣列，可以制備具有任意復(fù)系數(shù)的高維度量子糾纏態(tài)。通過單片集成通用型線性光路，可對(duì)高維量子糾纏態(tài)進(jìn)行任意操控和任意測(cè)量。因此，該多路徑高維量子方案具有任意通用性。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)充分利用集成光路的高穩(wěn)定性和高可控性，實(shí)現(xiàn)了高保真度的高維量子糾纏態(tài)，如4、8和12維度糾纏態(tài)的量子態(tài)層析結(jié)果分別為96、87%和81%保真度，遠(yuǎn)超其他方式制備的高維量子糾纏態(tài)性能。

　　

　　更重要的是，團(tuán)隊(duì)通過硅基納米光子集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目前集成度最復(fù)雜的光量子芯片(如圖所示)，單片集成550多個(gè)光量子元器件，包括16個(gè)全同的參量四波混頻單光子源陣列、93個(gè)光學(xué)移相器、122個(gè)光束分束器、256個(gè)波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)以及64個(gè)光柵耦合器，從而達(dá)到對(duì)高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測(cè)量。

　　

　　研究進(jìn)一步利用該高維光量子芯片技術(shù)，驗(yàn)證高維度量子糾纏系統(tǒng)的強(qiáng)量子糾纏關(guān)聯(lián)特性，包括普適化貝爾不等式和EPR導(dǎo)引不等式等，證明量子物理和經(jīng)典物理定律的重要區(qū)別。例如，對(duì)4維度量子糾纏態(tài)，實(shí)驗(yàn)觀察得到了2.867±0.014的貝爾參數(shù)，不僅成功違背經(jīng)典物理定律61.9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，而且超過普通二維糾纏體系的最大可到達(dá)值的2.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。研究還首次實(shí)現(xiàn)了高維量子系統(tǒng)的貝爾自檢測(cè)和量子隨機(jī)放大等新功能，例如，對(duì)3維度最大糾纏態(tài)和部分糾纏態(tài)的自檢測(cè)保真度約為76%，對(duì)14維以下糾纏態(tài)均實(shí)現(xiàn)了量子隨機(jī)放大功能。研究展示出高維量子體系在量子通信和量子計(jì)算方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并有望擴(kuò)展于更復(fù)雜更高維度的量子糾纏體系。研究工作將有效推進(jìn)量子通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域的重要實(shí)際應(yīng)用，這對(duì)占據(jù)量子信息科學(xué)與技術(shù)制高點(diǎn)等具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　

　　布里斯托爾大學(xué)、現(xiàn)北京大學(xué)青年千人計(jì)劃學(xué)者王劍威，布里斯托爾大學(xué)博士生Stefano Paesani以及丹麥科技大學(xué)研究員丁運(yùn)鴻位研究論文的共同第一作者。論文作者還包括北京大學(xué)龔旗煌教授、布里斯托爾大學(xué)Jeremy O’Brien教授和Mark Thompson教授等、西班牙ICFO Antonio Acin教授，以及德國(guó)馬普研究所、波蘭科學(xué)院和哥本哈根大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者。

　　

　　該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。

　　

　　編輯點(diǎn)評(píng)

　　

　　大規(guī)模硅基集成高維光量子芯片的實(shí)驗(yàn)是高維度量子物理和量子信息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破。努力研制性能優(yōu)越、功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成光量子芯片，將有效推進(jìn)量子通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域的重要實(shí)際應(yīng)用。

　　

　　(原標(biāo)題： 極端光學(xué)團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)大規(guī)模硅基集成高維光量子芯片)