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有關大規(guī)模硅基集成高維光量子芯片的工作

利用大規(guī)模集成硅基納米光量子芯片技術(shù)，實現(xiàn)對高維度光量子糾纏體系的高精度和普適化量子調(diào)控和量子測量。（圖一）基于硅納米光波導的大規(guī)模集成光量子芯片(可實現(xiàn)對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量) 集成光學量子芯片技術(shù)，基于量子力學基本物理原理，使用半導體微納加工工藝實現(xiàn)單片集成光波導量子器件（包括單光子源、量子操控和測量光路，以及單光子探測器等），可以實現(xiàn)對量子信息的載體單光子進行處理、計算、傳輸和存儲等。集成光學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。因此，該技術(shù)被普遍認為是一種實現(xiàn)光量子信息應用的有效技術(shù)手段。利用硅基納米光波導技術(shù)實現(xiàn)的光量子芯片具有諸多獨特優(yōu)點，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、以及工作波長與光纖量子通信兼容等。然而，迄今為止光量子芯片的復雜度僅限于小規(guī)模的演示，如集成少數(shù)馬赫-曾德干涉儀對光子態(tài)進行簡單操控。因此，我們迫切需要擴大集成量子光路的復雜性和功能性，增強其量子信息處理技術(shù)的能力，從而推進量子信息技術(shù)的應用。相干且精確地控制復雜量子器件和多維糾纏系統(tǒng)是量子信息科學和技術(shù)領域的一項難點。相對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、計算效率高、以及抗噪聲性強等諸多優(yōu)點。最近，多維度量子糾纏系統(tǒng)已分別在光子、超導、離子和量子點等物理體系中實現(xiàn)。利用光子的不同自由度，如軌道角動量模式、時域和頻域模式等，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)操控和量子測量，依然面臨很多困難和挑戰(zhàn)。針對上述問題，英國布里斯托爾大學、北京大學、丹麥技術(shù)大學、德國馬普研究所、西班牙光學研究所和波蘭科學院的科研人員密切合作，并取得了突破性進展。研究團隊提出并實現(xiàn)了一種新型的多路徑加載高維量子態(tài)方式，即每個光子以量子疊加態(tài)的形式同時存在于多條光波導路徑，從而實現(xiàn)了一個高達15×15的高維量子糾纏系統(tǒng)。通過可控地激發(fā)16個參量四波混頻單光子源陣列，可以制備具有任意復系數(shù)的高維度量子糾纏態(tài)。通過單片集成通用型線性光路，可對高維量子糾纏態(tài)進行任意操控和任意測量。因此，該多路徑高維量子方案具有任意通用性。與此同時，團隊充分利用集成光路的高穩(wěn)定性和高可控性，實現(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，遠超其他方式制備的高維量子糾纏態(tài)性能。更重要的是，團隊通過硅基納米光子集成技術(shù)，實現(xiàn)了目前集成度最復雜的光量子芯片（圖一所示），單片集成550多個光量子元器件，包括16個全同的參量四波混頻單光子源陣列、93個光學移相器、122個光束分束器、256個波導交叉結(jié)構(gòu)以及64個光柵耦合器，從而達到對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量。研究進一步利用該高維光量子芯片技術(shù)，驗證高維度量子糾纏系統(tǒng)的強量子糾纏關聯(lián)特性，包括普適化貝爾不等式和EPR導引不等式等，證明量子物理和經(jīng)典物理定律的重要區(qū)別。例如，對4維度量子糾纏態(tài)，實驗觀察得到了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個標準差，而且超過普通二維糾纏體系的最大可到達值的2.8個標準差。研究還首次實現(xiàn)高維量子系統(tǒng)的貝爾自檢測和量子隨機放大等新功能，例如，對3維度最大糾纏態(tài)和部分糾纏態(tài)的自檢測保真度約為76%，對14維以下糾纏態(tài)均實現(xiàn)了量子隨機放大功能。

北京大學 2021-04-11

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