在硅基集成光量子芯片上實(shí)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在硅基集成光量子芯片上實(shí)現(xiàn)了高維糾纏態(tài)的產(chǎn)生，濾波，調(diào)控等多項(xiàng)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(jì)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(dú)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(qiáng)并行計(jì)算能力、高信息容量以及強(qiáng)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(diǎn)，是實(shí)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(jì)的干涉型微環(huán)諧振腔，通過對芯片上光子的路徑模式進(jìn)行編碼，實(shí)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(xiàng)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(tuán)隊(duì)實(shí)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(dá)到95.5%。

基于這個高質(zhì)量的三維糾纏態(tài)，團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)完成了對三維貝爾不等式的驗(yàn)證與無相容性漏洞的量子互文性檢驗(yàn)。在量子模擬方面，通過對三維糾纏量子態(tài)的操控，團(tuán)隊(duì)在全球首次實(shí)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(yàn)證圖的量子模擬實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(xiàn)。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(xiàng)研究得到南京大學(xué)卓越計(jì)劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目的資助。此項(xiàng)研究工作得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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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