上海学院化学大学现代光学研究所“极端光学创新研究团队”的王剑威研究员和龚旗煌院士团队与四川学院戴道锌院士团队等合作研究，实现了集成光量子芯片间的高维量子纠缠网路。合作研究团队发展了硅基光量子芯片晶片级制造、片上多维混和复用量子调控等关键技术及核心元件，提出了一种高维量子纠缠自修复方式，可快速恢复在复杂介质传输中已退化的高维纠缠，最终实现了多芯片高维纠缠量子网路，为进一步完善大规模、可实用化量子网路开辟了新路径。2023年7月14日，相关成果以“具有纠缠修补能力的多芯片高维量子网路”（with）为题，发表于《科学》（）刊物。
量子网路是量子通讯、时频同步、分布式量子估算和量子传感器等领域的重要基础支撑。大规模量子网路的建立关键在于怎样实现大规模量子节点之间的复杂量子纠缠态分发与传输。其挑战在于，量子网路构架以及量子硬件必须具备强扩充性，同时还能有力地支持大容量量子通道中高维纠缠量子态的高保真相干传输。此前，基于波分复用的量子纠缠网路构架方案已有报导，有望用于大规模量子纠缠的网路分发，但尚缺乏可扩充量子硬件的支撑。而集成量子光学芯片具有高可控性、强可编程性、小规格和低成本等优势，是实现量子信息处理、计算和通讯等功能的优异平台，也被觉得是实现大规模量子网路的关键硬件基础。
面向未来大规模量子网路需求，亟待发展高性能芯片化量子节点技术量子传输实物，实现量子态形成、编码、解码、复用、操控、探测和储存等功能的一体化集成，保证最终仍具备量子态高保真度，并使之具备大规模扩充能力。值得注意的是，借助具有高信息容量和强抗噪能力的高维量子态进行量子信息的传输与处理具有重要意义，深受高度注重。高维量子态进一步借助单模光波导/光纤的纵向模式等新自由度进行编码，具有高通讯容量、与精典光纤通讯兼容等突出优点。但是，模式编码的量子态在复杂介质中传输时易遭到外界环境扰动的影响，使得高维量子态的高保真相干传输遭到了限制。
上海学院团队聚焦于硅基集成量子光学研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中发展了片上高维光量子纠缠的制备和调控技术[360,285(2018)]，实现了两芯片间的量子隐型传态[16,148(2020)]，验证了高维体系的广义波粒二象性和相干性[2,2712(2021)]，演示了可编程高维度量子估算芯片[13,1166(2022)]量子传输实物，实现了大规模集成的拓扑保护量子纠缠光源[16,248(2022)]，演示了玻色采样专用型量子估算芯片[15,925(2019)]以及簇态通用型量子估算芯片[17,1137(2021)]，实现了超大规模集成的数论光量子信息处理和估算芯片[17,573(2023)]等。团队多年工作积累为多芯片高维量子网路的实现提供了重要基础。
在该项研究工作中，研究团队发展了片上多维混和复用量子调控技术，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术自主研发了可大规模制造且具有晶片级初一致性的硅基集成光量子元件与芯片，建立了多芯片高维量子网路。同时，提出和发展了一种高维量子纠缠自修复方式，可快速恢复在复杂介质中传输时已退化的高维纠缠，最终实现了多个光量子芯片间的高维量子纠缠相干分发功能。
图1多芯片高维量子纠缠网路构架。
图1A为多芯片高维度量子纠缠网路构架示意图。对于一个n用户（图1A顶点）的全联接量子网路，须要n(n-1)/2个具有量子关联的光子对来进行联接（图1A蓝色边）。借助片上多维混和复用技术，d维的纠缠光子对可以由光子的纵向模式和偏振光自由度进行混和编码（图1B），并通过波分复用技术在一根单模光纤信道中（图1A绿色边）复用n-1组光子。在该网路中，多个纠缠光子对的同时分发由波分复用技术来实现，而芯片间高维纠缠态相干传输则通过片上路径编码以及单模光纤偏振光-模式混和编码来实现。
图2量子网路芯片的晶片实物图和线路示意图。
针对高维量子网路发展需求，研究团队创新设计了具有大容差、大带宽等优异特点的硅基光量子元件，并发展了光量子芯片晶片级制造工艺，成功研发了宽带量子光源、波分复用高阶微环阵列、任意可编程光量子线性网路、路径-偏振光-模式相干转化的单模波导光栅等核心元件，且具有晶片级初一致性和高扩充性，凸显了建立大规模网路的突出潜力。基于此，团队进一步实现了高全同、可扩充的量子网路中心芯片和量子节点芯片（图2A-2B）。
同时，研究团队针对复杂介质中高维量子态极易遭到外界环境扰动影响而不能高保真相干传输的问题，创新性地提出了一种高维量子纠缠自修复技巧。与此前检测-反演方式修补量子态（即构建出复杂介质传输矩阵并施加逆传输矩阵）迥然不同的是，本项研究工作发展了一种无需构建传输矩阵且可实时修补复杂量子信道中高维纠缠的技术。在此，通过编程并调控中心量子芯片和节点量子芯片的线性量子元件和量子光源阵列，即可有效修补已退化的高维量子纠缠态。图3A-3C为所测得的量子纠缠恢复实验结果，包括：模间杂讯修补（图3A）、芯片-光纤-芯片系统稳定性长时测试（图3B）以及修补量子态构建密度矩阵（图3C），成功实现了多个光量子芯片间的高维量子纠缠相干分发功能。
图3.高维量子纠缠恢复（A）、系统稳定性测试（B）及多芯片间量子纠缠分发（C）。
上海学院化学大学2019级博士研究生郑赟、2021级博士研究生翟翀昊、浙江学院光电科学与工程大学/上海国际科创中心刘大建博士为共同第一作者，四川学院戴道锌院士与上海学院王剑威研究员为共同通信作者。主要合作者还包括：中国科大学微电子研究所杨妍研究员、唐波中级工程师、李志华研究员；上海学院李焱院士、龚旗煌院士；台湾英文学院HonKiTsang院士；上海学院化学大学博士研究生茆峻、陈晓炯、戴天祥、黄洁珊、包觉明、傅兆瑢以及台湾英文学院、香港科技学院的合作者。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研制计划、北京市自然科学基金、广东省重点领域研制计划以及上海学院人工微结构和介观化学国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京学院长三角光电科学研究院、合肥量子国家实验室等大力支持。
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供稿：现代光学研究所
