在硅基集成光量子芯片上實現(xiàn)高維量子糾纏，干涉可見度高于96.5%

近日，南京大學(xué)物理學(xué)院馬小松教授團隊在Nature合作期刊npj Quantum Information上報道了他們的最新研究結(jié)果《Three-dimensional entanglement on a silicon chip》，該團隊在硅基集成光量子芯片上實現(xiàn)了高維糾纏態(tài)的產(chǎn)生，濾波，調(diào)控等多項功能，并且利用精度的片上量子調(diào)控完成了量子模擬與量子精密測量等應(yīng)用任務(wù)。量子糾纏是一種違反經(jīng)典物理常識的量子現(xiàn)象，是量子通信和量子計算的重要物理資源，其中高維量子糾纏在多種量子信息任務(wù)中具有獨特的優(yōu)勢。

圖釋：a.三維量子糾纏芯片；b.光學(xué)顯微鏡圖；c.實驗設(shè)備示意圖。

量子糾纏是量子系統(tǒng)所特有的奇異性質(zhì)，它于1935年由薛定諤給予定義。量子系統(tǒng)的糾纏類型主要包括多體量子糾纏和多維量子糾纏。其中，高維糾纏態(tài)（維度》 2）由于其獨特的性質(zhì)而引起了人們的極大興趣。隨著量子系統(tǒng)的維度增加，相對于常用的二維量子系統(tǒng)，高維量子系統(tǒng)具有強并行計算能力、高信息容量以及強抗噪聲能力等優(yōu)勢。光子作為量子信息的載體具有相干性好、多自由度、易調(diào)控等優(yōu)點，是實現(xiàn)高維糾纏的理想體系。然而，如何高效的制備高維糾纏光子對并對其進行高精度、可編程的任意相干調(diào)控，是量子信息技術(shù)走向規(guī)模應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。馬小松教授團隊利用集成光學(xué)芯片的微納加工，借助硅的三階非線性，采用優(yōu)化設(shè)計的干涉型微環(huán)諧振腔，通過對芯片上光子的路徑模式進行編碼，實現(xiàn)芯片上的三維光量子態(tài)的產(chǎn)生，濾波，調(diào)控等多項功能，形成有源集成光量子芯片（見上圖）。通過硅波導(dǎo)中自發(fā)四波混頻效應(yīng)及對線性光路的高穩(wěn)定、可重構(gòu)相干調(diào)控，團隊實現(xiàn)了提取效率高于97%、無需濾波后處理、對泵浦光子高抑制的雙光子源；得到了片上量子干涉可見度高于96.5%，三維最大糾纏態(tài)的保真度達到95.5%。

基于這個高質(zhì)量的三維糾纏態(tài)，團隊實驗完成了對三維貝爾不等式的驗證與無相容性漏洞的量子互文性檢驗。在量子模擬方面，通過對三維糾纏量子態(tài)的操控，團隊在全球首次實現(xiàn)了利用量子光學(xué)器件模擬圖論，特別是通過量子態(tài)的相干性的測量直接獲得圖的完美匹配數(shù)。在信息復(fù)雜度理論中，獲得圖的完美匹配數(shù)是屬于#P完全（#P-complete）復(fù)雜度。這就意味著利用已知的經(jīng)典算法無法有效解決這個問題。這個工作首次驗證圖的量子模擬實驗的可行性，邁出了利用量子光學(xué)器件解決#P完全問題的第一步。

在量子精密測量方面，申請人團隊還利用量子光學(xué)芯片演示了高精度相位測量，突破了經(jīng)典干涉儀的測量精度的理論極限，體現(xiàn)了高維量子糾纏的優(yōu)勢。該研究為多體高維量子糾纏體系的片上制備與量子調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

該成果發(fā)表在Nature合作期刊npj Quantum Information上，南京大學(xué)物理學(xué)院研究員陸亮亮、碩士生夏黎君、碩士生陳志宇為文章共同第一作者，南京大學(xué)陳雷震同學(xué)、余同樺同學(xué)、陶滔同學(xué)、馬文超同學(xué)、中山大學(xué)蔡鑫倫教授、潘穎同學(xué)對本文亦有重要貢獻。南京大學(xué)馬小松教授為論文的通訊作者。祝世寧院士、陸延青教授給予深入指導(dǎo)。該項研究得到南京大學(xué)卓越計劃和國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目的資助。此項研究工作得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室、物理學(xué)院和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心支持。

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