交流學(xué)術(shù)，時常風(fēng)月
近些年來，量子信息技術(shù)急速發(fā)展，有望在估算、通信、傳感和成像等領(lǐng)域獲得趕超精典信息技術(shù)的重要應(yīng)用。通過將多個量子節(jié)點進行相干量子互聯(lián)，打造功能更為強悍的量子網(wǎng)路是當前國際上的研究重點之一。集成光量子芯片為量子網(wǎng)路的建立提供了重要的硬件平臺，通過將大量復(fù)雜的量子元件進行片上集成，有望發(fā)展出大規(guī)模且實用化的量子芯片網(wǎng)路。
日前，上海學(xué)院、浙江學(xué)院、中國科大學(xué)微電子所、香港英文學(xué)院、香港科技學(xué)院的合作團隊，實現(xiàn)了集成光量子芯片間的高維量子糾纏網(wǎng)路。合作研究團隊發(fā)展了硅基光量子芯片晶片級制造、片上多維混和復(fù)用量子調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)及核心元件，提出了一種高維量子糾纏自修復(fù)方式，可快速恢復(fù)在復(fù)雜介質(zhì)傳輸中已退化的高維糾纏，最終實現(xiàn)了多芯片高維糾纏量子網(wǎng)路，為進一步完善大規(guī)模量子網(wǎng)路開辟了新路徑。2023年7月14日，相關(guān)研究成果以“具有糾纏修補能力的多芯片高維量子網(wǎng)路”（with）為題，發(fā)表在上。
量子網(wǎng)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(lǐng)域的重要基礎(chǔ)支撐。大規(guī)模量子網(wǎng)路的建立關(guān)鍵在于怎樣實現(xiàn)大規(guī)模量子節(jié)點之間的復(fù)雜量子糾纏態(tài)分發(fā)與傳輸。其挑戰(zhàn)在于：量子網(wǎng)路構(gòu)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(tài)的高保真相干傳輸。此前，基于波分復(fù)用的量子糾纏網(wǎng)路構(gòu)架方案已有報導(dǎo)，有望用于大規(guī)模量子糾纏的網(wǎng)路分發(fā)，但尚缺乏可擴充量子硬件的支撐。而集成量子光學(xué)芯片具有高可控性、強可編程性、小規(guī)格和低成本等優(yōu)勢，是實現(xiàn)量子信息處理、計算和通訊等功能的優(yōu)異平臺量子傳輸實物，也被覺得是實現(xiàn)大規(guī)模量子網(wǎng)路的關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)。
面向未來大規(guī)模量子網(wǎng)路需求，亟待發(fā)展高性能芯片化量子節(jié)點技術(shù)，實現(xiàn)量子態(tài)形成、編碼、解碼、復(fù)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(tài)高保真度，并使之具備大規(guī)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(tài)進行量子信息的傳輸與處理具有重要意義，深受高度注重。與傳統(tǒng)二維量子比特編碼（如基于偏振光或時間等自由度）不同的是量子傳輸實物，高維量子態(tài)進一步借助單模光波導(dǎo)/光纖的縱向模式等新自由度進行編碼，具有與精典光纖通訊兼容等突出優(yōu)點。但是，模式編碼的量子態(tài)在復(fù)雜介質(zhì)中傳輸時易遭到外界環(huán)境擾動的影響，使得高維量子態(tài)的高保真相干傳輸遭到了限制。
在本項研究工作中，研究團隊發(fā)展了片上多維混和復(fù)用量子調(diào)控技術(shù)，采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造技術(shù)自主研發(fā)了可大規(guī)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(wǎng)路。同時，提出和發(fā)展了一種高維量子糾纏自修復(fù)方式，可快速恢復(fù)在復(fù)雜介質(zhì)中傳輸時已退化的高維糾纏，最終實現(xiàn)了多個光量子芯片間的高維量子糾纏相干分發(fā)功能。
圖1多芯片高維量子糾纏網(wǎng)路構(gòu)架。
圖1A為多芯片高維度量子糾纏網(wǎng)路構(gòu)架示意圖。對于一個n用戶（圖1A頂點）的全聯(lián)接量子網(wǎng)路，須要n(n-1)/2個具有量子關(guān)聯(lián)的光子對來進行聯(lián)接（圖1A白色邊）。借助片上多維混和復(fù)用技術(shù)，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(fù)用技術(shù)在一根單模光纖信道中（圖1A白色邊）復(fù)用n-1組光子。在該網(wǎng)路中，多個糾纏光子對的同時分發(fā)由波分復(fù)用技術(shù)來實現(xiàn)，而芯片間高維糾纏態(tài)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(xiàn)。
圖2量子網(wǎng)路芯片的晶片實物圖和線路示意圖。
針對高維量子網(wǎng)路發(fā)展需求，研究團隊創(chuàng)新設(shè)計了具有大容差、大帶寬等優(yōu)異特點的硅基光量子元件，并發(fā)展了光量子芯片晶片級制造工藝，成功研發(fā)了寬帶量子光源、波分復(fù)用高階微環(huán)陣列、任意可編程光量子線性網(wǎng)路、路徑-偏振光-模式相干轉(zhuǎn)化的單模波導(dǎo)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(guī)模網(wǎng)路的突出潛力。基于此，團隊進一步實現(xiàn)了高全同、可擴充的量子網(wǎng)路中心芯片和量子節(jié)點芯片（圖2A-2B）。
