上海學院化學大學現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威研究員和龔旗煌院士團隊與四川學院戴道鋅院士團隊等合作研究，實現了集成光量子芯片間的高維量子糾纏網路。合作研究團隊發展了硅基光量子芯片晶片級制造、片上多維混和復用量子調控等關鍵技術及核心元件，提出了一種高維量子糾纏自修復方式，可快速恢復在復雜介質傳輸中已退化的高維糾纏，最終實現了多芯片高維糾纏量子網路，為進一步完善大規模、可實用化量子網路開辟了新路徑。2023年7月14日，相關成果以“具有糾纏修補能力的多芯片高維量子網路”（with）為題，發表于《科學》（）刊物。
量子網路是量子通訊、時頻同步、分布式量子估算和量子傳感器等領域的重要基礎支撐。大規模量子網路的建立關鍵在于怎樣實現大規模量子節點之間的復雜量子糾纏態分發與傳輸。其挑戰在于，量子網路構架以及量子硬件必須具備強擴充性，同時還能有力地支持大容量量子通道中高維糾纏量子態的高保真相干傳輸。此前，基于波分復用的量子糾纏網路構架方案已有報導，有望用于大規模量子糾纏的網路分發，但尚缺乏可擴充量子硬件的支撐。而集成量子光學芯片具有高可控性、強可編程性、小規格和低成本等優勢，是實現量子信息處理、計算和通訊等功能的優異平臺，也被覺得是實現大規模量子網路的關鍵硬件基礎。
面向未來大規模量子網路需求，亟待發展高性能芯片化量子節點技術量子傳輸實物，實現量子態形成、編碼、解碼、復用、操控、探測和儲存等功能的一體化集成，保證最終仍具備量子態高保真度，并使之具備大規模擴充能力。值得注意的是，借助具有高信息容量和強抗噪能力的高維量子態進行量子信息的傳輸與處理具有重要意義，深受高度注重。高維量子態進一步借助單模光波導/光纖的縱向模式等新自由度進行編碼，具有高通訊容量、與精典光纖通訊兼容等突出優點。但是，模式編碼的量子態在復雜介質中傳輸時易遭到外界環境擾動的影響，使得高維量子態的高保真相干傳輸遭到了限制。
上海學院團隊聚焦于硅基集成量子光學研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中發展了片上高維光量子糾纏的制備和調控技術[360,285(2018)]，實現了兩芯片間的量子隱型傳態[16,148(2020)]，驗證了高維體系的廣義波粒二象性和相干性[2,2712(2021)]，演示了可編程高維度量子估算芯片[13,1166(2022)]量子傳輸實物，實現了大規模集成的拓撲保護量子糾纏光源[16,248(2022)]，演示了玻色采樣專用型量子估算芯片[15,925(2019)]以及簇態通用型量子估算芯片[17,1137(2021)]，實現了超大規模集成的數論光量子信息處理和估算芯片[17,573(2023)]等。團隊多年工作積累為多芯片高維量子網路的實現提供了重要基礎。
在該項研究工作中，研究團隊發展了片上多維混和復用量子調控技術，采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造技術自主研發了可大規模制造且具有晶片級初一致性的硅基集成光量子元件與芯片，建立了多芯片高維量子網路。同時，提出和發展了一種高維量子糾纏自修復方式，可快速恢復在復雜介質中傳輸時已退化的高維糾纏，最終實現了多個光量子芯片間的高維量子糾纏相干分發功能。
圖1多芯片高維量子糾纏網路構架。
圖1A為多芯片高維度量子糾纏網路構架示意圖。對于一個n用戶（圖1A頂點）的全聯接量子網路，須要n(n-1)/2個具有量子關聯的光子對來進行聯接（圖1A藍色邊）。借助片上多維混和復用技術，d維的糾纏光子對可以由光子的縱向模式和偏振光自由度進行混和編碼（圖1B），并通過波分復用技術在一根單模光纖信道中（圖1A綠色邊）復用n-1組光子。在該網路中，多個糾纏光子對的同時分發由波分復用技術來實現，而芯片間高維糾纏態相干傳輸則通過片上路徑編碼以及單模光纖偏振光-模式混和編碼來實現。
圖2量子網路芯片的晶片實物圖和線路示意圖。
針對高維量子網路發展需求，研究團隊創新設計了具有大容差、大帶寬等優異特點的硅基光量子元件，并發展了光量子芯片晶片級制造工藝，成功研發了寬帶量子光源、波分復用高階微環陣列、任意可編程光量子線性網路、路徑-偏振光-模式相干轉化的單模波導光柵等核心元件，且具有晶片級初一致性和高擴充性，凸顯了建立大規模網路的突出潛力?；诖耍瑘F隊進一步實現了高全同、可擴充的量子網路中心芯片和量子節點芯片（圖2A-2B）。
同時，研究團隊針對復雜介質中高維量子態極易遭到外界環境擾動影響而不能高保真相干傳輸的問題，創新性地提出了一種高維量子糾纏自修復技巧。與此前檢測-反演方式修補量子態（即構建出復雜介質傳輸矩陣并施加逆傳輸矩陣）迥然不同的是，本項研究工作發展了一種無需構建傳輸矩陣且可實時修補復雜量子信道中高維糾纏的技術。在此，通過編程并調控中心量子芯片和節點量子芯片的線性量子元件和量子光源陣列，即可有效修補已退化的高維量子糾纏態。圖3A-3C為所測得的量子糾纏恢復實驗結果，包括：模間雜訊修補（圖3A）、芯片-光纖-芯片系統穩定性長時測試（圖3B）以及修補量子態構建密度矩陣（圖3C），成功實現了多個光量子芯片間的高維量子糾纏相干分發功能。
圖3.高維量子糾纏恢復（A）、系統穩定性測試（B）及多芯片間量子糾纏分發（C）。
上海學院化學大學2019級博士研究生鄭赟、2021級博士研究生翟翀昊、浙江學院光電科學與工程大學/上海國際科創中心劉大建博士為共同第一作者，四川學院戴道鋅院士與上海學院王劍威研究員為共同通信作者。主要合作者還包括：中國科大學微電子研究所楊妍研究員、唐波中級工程師、李志華研究員；上海學院李焱院士、龔旗煌院士；臺灣英文學院HonKiTsang院士；上海學院化學大學博士研究生茆峻、陳曉炯、戴天祥、黃潔珊、包覺明、傅兆瑢以及臺灣英文學院、香港科技學院的合作者。
上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研制計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研制計劃以及上海學院人工微結構和介觀化學國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、北京學院長三角光電科學研究院、合肥量子國家實驗室等大力支持。
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供稿：現代光學研究所
