北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”王劍威研究員和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組，與英國(guó)、丹麥、奧地利和澳大利亞的學(xué)者合作，實(shí)現(xiàn)了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片-芯片間的量子隱形傳態(tài)功能，為芯片上光量子信息處理和計(jì)算模擬的應(yīng)用，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)物理期刊Nature Physics(

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x

)。

集成光量子芯片技術(shù)，結(jié)合了量子物理、量子信息和集成光子學(xué)等前沿學(xué)科，通過(guò)半導(dǎo)體微納加工制造高性能且大規(guī)模集成的光量子器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)光量子信息的高效處理、計(jì)算和傳輸?shù)裙δ堋Ｆ渲校霉杌矫婀獠▽?dǎo)集成技術(shù)的光量子芯片具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括集成度高、穩(wěn)定性好、編程操控性優(yōu)越和可單片集成核心光量子器件等，因此被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)光量子信息應(yīng)用的重要手段之一。

A. 硅基量子隱形傳態(tài)和多光子量子糾纏芯片的示意圖，左上角為集成量子光源的電子顯微鏡圖；B. 量子隱形傳態(tài)的量子線路圖；C. 量子糾纏互換的量子線路圖；D. GHZ糾纏制備的量子線路圖

北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與布里斯托爾大學(xué)、丹麥科技大學(xué)、奧地利科學(xué)院、赫瑞-瓦特大學(xué)和西澳大利亞大學(xué)科研人員密切合作，在硅基光量子芯片技術(shù)和應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于微環(huán)諧振腔的高性能集成量子光源，通過(guò)硅波導(dǎo)的強(qiáng)四波混頻非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光子全同性優(yōu)于90%、無(wú)需濾波后處理的50%觸發(fā)效率的單光子對(duì)源，達(dá)到了對(duì)4組微腔量子光源陣列的相干操控，片上雙光子量子糾纏源的保真度達(dá)到了92%。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的可編程片上雙比特量子糾纏門(mén)，可以按照功能需要切換貝爾投影測(cè)量和量子比特焊接操作，通過(guò)量子態(tài)層析實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了高保真的雙比特糾纏操作。

研究團(tuán)隊(duì)在單一硅芯片上實(shí)現(xiàn)了高性能量子糾纏光源、可編程雙比特量子糾纏門(mén)，以及可編程單量子比特測(cè)量的全功能集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了三種核心量子功能模塊——芯片上四光子真糾纏、量子糾纏互換、芯片-芯片間的高保真量子隱形傳態(tài)。通過(guò)對(duì)兩對(duì)糾纏光子對(duì)進(jìn)行量子比特焊接操作，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子糾纏的存在；通過(guò)對(duì)兩對(duì)糾纏光子中各一個(gè)光子進(jìn)行貝爾投影操作，實(shí)現(xiàn)了量子糾纏互換功能，使來(lái)自不同光子源的光子間產(chǎn)生了量子糾纏；利用兩個(gè)芯片間的量子態(tài)傳輸和量子糾纏分布技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)芯片間任意單量子比特的量子隱形傳態(tài)，達(dá)到了近90%的隱形傳態(tài)保真度。

團(tuán)隊(duì)研制的硅基多光子量子芯片尺寸僅占幾平方毫米，比傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法小了約5-6個(gè)數(shù)量級(jí)，不僅達(dá)到了器件的微型化，同時(shí)具備了單片全功能集成、器件編程可控、系統(tǒng)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，其中量子隱形傳態(tài)保真度優(yōu)于已報(bào)道的其它物理實(shí)現(xiàn)方法。多體量子糾纏體系的片上制備與量子調(diào)控技術(shù)，為片上量子物理基礎(chǔ)研究和片上光量子信息處理傳輸、量子計(jì)算模擬的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。