北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)所王劍威研究員與意大利羅馬大學(xué)Fabio Sciarrino教授、英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在國(guó)際著名刊物《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上撰寫(xiě)綜述文章，介紹“集成光量子技術(shù)”這一新興領(lǐng)域的基本科學(xué)原理和前沿進(jìn)展。

量子技術(shù)利用量子物理基本原理，通過(guò)操控光或物質(zhì)的量子疊加和量子糾纏等內(nèi)稟屬性，其信息處理能力有望從根本上超越經(jīng)典范疇的信息技術(shù)。集成光量子芯片技術(shù)是一門(mén)結(jié)合了量子物理、量子信息、集成光子學(xué)和微納制造等學(xué)科的前沿交叉技術(shù)，通過(guò)半導(dǎo)體微納加工制造，有望實(shí)現(xiàn)高性能且大規(guī)模集成的光量子器件和系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)作為量子信息載體的單光子進(jìn)行高效處理、計(jì)算和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

國(guó)內(nèi)外對(duì)集成光量子芯片技術(shù)的研究取得許多重要進(jìn)展

2008年，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于二氧化硅平面光波導(dǎo)體系的量子受控糾纏門(mén)和量子干涉，開(kāi)創(chuàng)了集成光量子芯片領(lǐng)域的先河。在過(guò)去十年間，國(guó)內(nèi)外對(duì)集成光量子芯片技術(shù)的研究,取得了許多重要進(jìn)展，目前已實(shí)現(xiàn)了片上光量子態(tài)的制備、量子操控以及單光子探測(cè)等核心功能，并且器件集成度和功能復(fù)雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結(jié)了集成光量子芯片的主流材料體系、核心量子光學(xué)元器件，及其量子信息的前沿應(yīng)用，包括量子密鑰分發(fā)和通信、物理和化學(xué)系統(tǒng)的量子模擬、量子玻色取樣、光量子信息處理和計(jì)算等。

集成光量子芯片的材料體系目前主要采用硅基絕緣體上、鈮酸鋰、激光直寫(xiě)二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化銦等光波導(dǎo)材料。核心器件主要包括集成單光子源與糾纏光子源、可編程大規(guī)模集成光路、集成單光子探測(cè)器等，其中量子光源主要有非線性參量型量子光源和固態(tài)量子點(diǎn)型量子光源，而單光子探測(cè)主要通過(guò)超導(dǎo)納米線探測(cè)和過(guò)度邊緣感應(yīng)傳感來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。與此同時(shí)，集成光芯片平臺(tái)上也已經(jīng)逐漸發(fā)展出一套可以將量子信息精確加載在單光子的路徑、偏振、時(shí)間、空間、頻率等不同自由度的方法，為該技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的便利性和多樣化。

集成光電子器件在經(jīng)典通信系統(tǒng)中一直起著舉足輕重的作用，可以預(yù)期其也將在量子密鑰分發(fā)和量子通信中起到重要作用，特別是微小型、低成本、高性能的量子通信收發(fā)芯片的發(fā)展，將有助于進(jìn)一步降低成本、提高可靠性，推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。目前，量子通信的幾種主要協(xié)議，包括制備-測(cè)量類的通信協(xié)議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態(tài)類的協(xié)議等，已先后在硅基、磷化銦、氮化硅等光子芯片上得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，全集成型量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也有很多實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，并有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)提供微小型、高速和低成本的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

量子線路模型和基于測(cè)量的單向量子計(jì)算模型是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的主流模型。光學(xué)量子計(jì)算的線路模型實(shí)現(xiàn)方案存在擴(kuò)展性困難，但基于測(cè)量的光量子計(jì)算可以大大降低需要的物理資源，并可實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。在可編程的光量子芯片平臺(tái)上，目前已成功實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Shor因數(shù)分解算法、Grover搜尋算法、優(yōu)化算法等重要算法，并可在單一芯片實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜量子信息處理功能。近年來(lái)，片上制備并操控復(fù)雜量子態(tài)，包括高維量子態(tài)、多光子糾纏態(tài)、圖糾纏態(tài)等，均已在硅基和二氧化硅等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩(wěn)定性、高保真度，為通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

量子玻色取樣和量子模擬被認(rèn)為是量子計(jì)算的短期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和重要應(yīng)用方向。觸發(fā)型玻色取樣和基于量子點(diǎn)光源的玻色取樣，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)具備“量子優(yōu)勢(shì)”的玻色取樣量子計(jì)算的有效技術(shù)方案，有望超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，其中前者已實(shí)現(xiàn)芯片上量子光源和線性網(wǎng)絡(luò)的全集成，而后者最近在中科大發(fā)布的一個(gè)論文預(yù)印本中報(bào)道了20光子60模式玻色取樣的重要突破。集成光量子芯片體系已實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離散型和連續(xù)型的量子漫步功能，并可用于模擬復(fù)雜的物理和生物過(guò)程。同時(shí)，集成光量子模擬器也成功驗(yàn)證了多種典型的量子模擬算法，有望有效地模擬化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。