【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2025年2月20日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組與山西大學(xué)蘇曉龍教授課題組合作，在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上發(fā)表一項(xiàng)以《基于集成光量子頻率梳芯片的連續(xù)變量多體量子糾纏》(“Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb”)為題的突破性研究成果。該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量簇態(tài)量子糾纏，為光量子芯片的大規(guī)模擴(kuò)展及其在量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新性地發(fā)展超低損耗的連續(xù)變量光量子芯片調(diào)控技術(shù)和多色相干泵浦與探測(cè)技術(shù)，成功在氮化硅集成頻率梳微環(huán)腔的真空壓縮頻率超模上確定性地制備出多比特糾纏簇態(tài)，并實(shí)現(xiàn)不同簇態(tài)糾纏結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)調(diào)控。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)利用van Loock-Furusawa判據(jù)實(shí)驗(yàn)違背和完備的nullifier(零化子)關(guān)聯(lián)矩陣測(cè)量，對(duì)連續(xù)變量簇態(tài)的糾纏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)判定。這一研究成果不僅解決了以往集成光量子芯片面臨的擴(kuò)展性難題，還為未來(lái)實(shí)現(xiàn)更大尺度的量子糾纏與量子調(diào)控提供了新的技術(shù)路徑。該成果標(biāo)志著集成光量子芯片技術(shù)在量子信息處理領(lǐng)域的重要突破，為量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
 

　　量子信息的基本單元是量子比特(qubit)或量子模式(qumode)，二者可統(tǒng)稱為量子比特。它們可分別通過(guò)離散變量和連續(xù)變量編碼在光量子體系中實(shí)現(xiàn)，各具優(yōu)缺點(diǎn)。例如，基于單光子的離散變量體系能夠?qū)崿F(xiàn)超高保真度的量子比特操作，但其面臨的主要挑戰(zhàn)是制備量子比特和量子糾纏存在概率性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)手段，離散變量量子糾纏的制備成功率隨比特?cái)?shù)增加呈指數(shù)下降，這限制了其可擴(kuò)展性。相比之下，基于光場(chǎng)正交分量編碼的連續(xù)變量體系能夠確定性產(chǎn)生量子比特和量子糾纏，盡管其操控保真度略低，卻為大尺度光量子糾纏態(tài)的制備提供了一條極具前景的技術(shù)路徑。
 

　　集成光量子芯片是一種能夠在微納尺度上編碼、處理、傳輸和存儲(chǔ)光量子信息的先進(jìn)平臺(tái)。自2008年國(guó)際上實(shí)現(xiàn)首個(gè)離散變量集成光量子芯片以來(lái)，集成光子芯片材料和技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，并在離散變量光量子信息領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，連續(xù)變量集成光量子芯片的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，集成光學(xué)參量放大過(guò)程要求芯片具備高光學(xué)非線性和低光學(xué)損耗等高性能；另一方面，對(duì)片上多模壓縮光場(chǎng)與糾纏的機(jī)理理解不足，多模糾纏調(diào)控與驗(yàn)證也存在技術(shù)瓶頸。這些因素導(dǎo)致連續(xù)變量光量子芯片的研究長(zhǎng)期處于起步階段，其編碼與糾纏的比特?cái)?shù)僅限于單?；螂p模壓縮態(tài)，而多模(多比特)量子糾纏態(tài)的片上制備與驗(yàn)證仍極具挑戰(zhàn)性。
 

　　糾纏簇態(tài)作為一種典型的多比特量子糾纏態(tài)，在量子信息科學(xué)中具有極其重要的地位。簇態(tài)不僅是單向量子計(jì)算的核心資源，還在量子糾錯(cuò)和容錯(cuò)量子計(jì)算中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時(shí)為量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了重要支持，并可用于模擬復(fù)雜的多體量子系統(tǒng)。盡管簇態(tài)糾纏的重要性已被廣泛認(rèn)可，但其大規(guī)模制備技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。此前，光量子芯片上的簇態(tài)糾纏研究主要集中在離散變量體系，確定性地制備大規(guī)模糾纏簇態(tài)面臨巨大實(shí)驗(yàn)困難，而連續(xù)變量簇態(tài)的片上制備和驗(yàn)證技術(shù)在國(guó)際上仍屬空白。
 

　　在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的確定性制備、可重構(gòu)調(diào)控與嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一突破性成果不僅填補(bǔ)了連續(xù)變量光量子芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)空白，還為大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備與操控提供了全新的技術(shù)路徑，對(duì)推動(dòng)量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子模擬等領(lǐng)域的實(shí)用化發(fā)展具有非常重要的意義。
 

圖1 基于集成頻率梳微腔的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)制備、調(diào)控與探測(cè)原理和方案圖
 

　　圖1A展示了連續(xù)變量光量子芯片制備糾纏簇態(tài)的原理圖。基于超低損耗氮化硅的集成頻率梳微環(huán)腔，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展多色相干泵浦與探測(cè)技術(shù)，在光學(xué)參量振蕩閾值以下激發(fā)真空壓縮頻率超模(即真空頻率模式的線性疊加)，并確定性地制備出多比特簇態(tài)糾纏。集成光學(xué)微腔中的復(fù)雜非線性效應(yīng)由相位鎖定的光學(xué)頻率梳激發(fā)，這種多色泵浦方式引入了自發(fā)雙模光場(chǎng)壓縮和非線性布拉格散射兩種主要物理過(guò)程。由于布拉格散射效應(yīng)的存在，多色泵浦激發(fā)的真空頻率模式之間形成了復(fù)雜的光場(chǎng)噪聲關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致真空頻率模式無(wú)法直接用于構(gòu)建糾纏簇態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，簇態(tài)糾纏僅存在于頻率超模的本征模式之間，這一結(jié)果通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的協(xié)方差矩陣得到了驗(yàn)證。同時(shí)，這也是利用三階非線性過(guò)程與二階非線性過(guò)程產(chǎn)生連續(xù)變量糾纏態(tài)的主要區(qū)別。圖1B展示了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)及芯片實(shí)物圖：(a)連續(xù)變量光量子芯片測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖，芯片的輸入輸出端通過(guò)透鏡光纖耦合，同時(shí)使用直流探針接觸片上電極以加載電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定；(b)微環(huán)諧振器器件實(shí)物圖；(c)微環(huán)諧振腔波導(dǎo)切面圖，波導(dǎo)寬度經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)近零色散，從而最大化非線性強(qiáng)度；(d)微環(huán)諧振腔耦合區(qū)切面圖，耦合區(qū)間距經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高逃逸效率。圖1C展示了團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多色相干泵浦與探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)不僅可用于大尺度簇態(tài)的泵浦激發(fā)，還可利用多色本地振蕩光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)完整的量子態(tài)測(cè)量與分析。此外，通過(guò)調(diào)控多色本地振蕩光場(chǎng)，團(tuán)隊(duì)能夠?qū)α孔庸鈭?chǎng)進(jìn)行等效的任意線性操作，從而制備出具有不同糾纏結(jié)構(gòu)的簇態(tài)。更重要的是，整個(gè)泵浦-操控-探測(cè)系統(tǒng)保持了相干性和全局相位的鎖定，確保了糾纏簇態(tài)的高質(zhì)量制備、調(diào)控與驗(yàn)證。
 

　　圖2 不同糾纏結(jié)構(gòu)的連續(xù)變量簇態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(A)零化子；(B)不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)；(C)van Loock-Furusawa判據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(D)100MHz寬帶糾纏判定
 

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)集成微梳中非線性物理過(guò)程與連續(xù)變量糾纏機(jī)理的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)合所發(fā)展的相干泵浦-探測(cè)技術(shù)，在5~500MHz頻率邊帶范圍內(nèi)完成了光場(chǎng)噪聲關(guān)聯(lián)的完整測(cè)量與分析，并實(shí)驗(yàn)重構(gòu)了多模糾纏態(tài)的協(xié)方差矩陣。利用部分轉(zhuǎn)置判據(jù)，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了8個(gè)頻率模式的糾纏不可分性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控多色本地振蕩光對(duì)量子光場(chǎng)進(jìn)行等效操作，團(tuán)隊(duì)成功制備出了四模鏈狀、盒狀、星狀以及六模鏈狀的多組分簇態(tài)糾纏(圖2B)，并在集成光量子芯片上觀測(cè)到了近2dB的零化子壓縮(圖2A)。更重要的是，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中直接打破了上述不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)的van Loock-Furusawa判據(jù)(圖2C)，首次在有限壓縮條件下實(shí)現(xiàn)了光芯片上糾纏簇態(tài)的成功制備。此外，團(tuán)隊(duì)還研究了不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)在不同頻率邊帶的糾纏性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在約100MHz的邊帶帶寬內(nèi)，van Loock-Furusawa判據(jù)均被實(shí)驗(yàn)直接打破，進(jìn)一步證明了連續(xù)變量光量子芯片在量子信息領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
 

　　連續(xù)變量簇態(tài)具有嚴(yán)格的定義，其成功制備需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于van Loock-Furusawa判據(jù)主要側(cè)重于對(duì)零化子的壓縮進(jìn)行分析，隨著從雙模糾纏到多模糾纏的轉(zhuǎn)變，量子糾纏的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性發(fā)生了重大變化，僅僅依賴該判據(jù)無(wú)法全面解析所制備簇態(tài)的全部糾纏信息。為了嚴(yán)格證明并確定連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的成功制備，尤其是在非線性過(guò)程復(fù)雜的集成微梳量子糾纏系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)零化子的噪聲關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行了全面的測(cè)量與分析。在早期實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)僅通過(guò)線性操控量子光場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，零化子之間存在顯著的額外非對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)。這表明量子光場(chǎng)的糾纏信息并未完全包含在零化子內(nèi)，與簇態(tài)糾纏的對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)不符。通過(guò)對(duì)簇態(tài)制備過(guò)程對(duì)應(yīng)代數(shù)結(jié)構(gòu)的深入分析，團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新方法：通過(guò)同時(shí)精確調(diào)控泵浦條件(包括功率和失諧量)以及量子光場(chǎng)的線性操控，成功消除了簇態(tài)糾纏制備過(guò)程中零化子的額外非對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)。最終，團(tuán)隊(duì)顯著降低了不同簇態(tài)糾纏零化子之間的非對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)(見(jiàn)圖3B：理論模擬，圖3C：實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。這一成果不僅嚴(yán)格證明了連續(xù)變量簇態(tài)的成功制備，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同簇態(tài)糾纏結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量，為復(fù)雜量子糾纏態(tài)的制備與驗(yàn)證提供了新的方法論。
 

　　值得一提的是，當(dāng)前糾纏模式數(shù)目的限制主要來(lái)自集成微腔的尺度(即頻率間隔)和多色泵浦光的數(shù)目。團(tuán)隊(duì)已成功解決了基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模簇態(tài)糾纏及其在量子信息處理中的應(yīng)用奠定了重要的物理基礎(chǔ)。面向大規(guī)模擴(kuò)展主要依賴于工程技術(shù)的優(yōu)化，例如，通過(guò)先進(jìn)芯片加工技術(shù)制備更大尺度的微腔，以及利用相位鎖定的光學(xué)頻率梳進(jìn)行激發(fā)等工程手段，可以顯著提升糾纏態(tài)的規(guī)模和復(fù)雜度。
 

圖3 不同糾纏結(jié)構(gòu)的連續(xù)變量簇態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：零化子非對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)矩陣
 

　　北京大學(xué)集成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Q-chip Lab)長(zhǎng)期致力于集成量子光學(xué)和量子信息研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)成功發(fā)展了晶圓級(jí)硅基大規(guī)模集成的光量子芯片加工和操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于離散變量光量子芯片的高維度糾纏【Science360, 285(2018)】、多光子糾纏【Nature Physics16, 148(2020)】、圖/超圖糾纏【Nature Communications15, 2601(2024)】、拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子糾纏【Nature Photonics 16, 248 (2022)】，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了玻色取樣專用型光量子計(jì)算芯片【Nature Physics15, 925(2019)】、通用型簇態(tài)光量子計(jì)算芯片【Nature Physics17, 1137(2021)】、圖論型量子計(jì)算芯片【Nature Photonics17, 573(2023)】、高維量子計(jì)算芯片【Nature Communications13, 1166(2022)】、多芯片間高維糾纏量子網(wǎng)絡(luò)【Science381, 221(2023)】、拓?fù)湮飸B(tài)量子模擬芯片【Nature Materials2, 928(2024)，Nature Physics20, 101(2024)】等。
 

　　自2018年建組以來(lái)，Q-chip Lab團(tuán)隊(duì)便重點(diǎn)關(guān)注連續(xù)變量光量子芯片研究。本項(xiàng)研究成果的取得，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)賈新宇、翟翀昊、游暢、鄭赟、傅兆瑢等成員，多年來(lái)的不懈努力與堅(jiān)持。特別是2020級(jí)博士生賈新宇，從2019年本科大四開(kāi)始便投身于這一領(lǐng)域，本科畢業(yè)論文以“片上連續(xù)變量糾纏光源研究”為題進(jìn)行了理論分析與設(shè)計(jì)。在隨后的5年博士生涯中，他始終專注于這一研究方向，歷經(jīng)4輪器件設(shè)計(jì)加工、測(cè)試系統(tǒng)搭建與優(yōu)化，終于在2022年8月實(shí)驗(yàn)得到單/雙模壓縮態(tài)，并于2023年4月獲得頻率域糾纏的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與此同時(shí)，2021級(jí)博士生翟翀昊在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從理論上深入研究了集成微環(huán)諧振腔內(nèi)三階非線性過(guò)程產(chǎn)生模式糾纏的物理機(jī)制以及頻率邊帶響應(yīng)規(guī)律，建立了多模糾纏的完整分析驗(yàn)證方法，并提出了消除零化子非對(duì)角噪聲關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新方案。團(tuán)隊(duì)成員在理論與實(shí)驗(yàn)之間緊密合作，相繼發(fā)展了基于超模的簇態(tài)制備與調(diào)控、多色相干泵浦探測(cè)技術(shù)、量子光場(chǎng)線性調(diào)控等關(guān)鍵理論與技術(shù)。2024年4月，團(tuán)隊(duì)將研究成果投稿至《自然》，獲得了審稿人的高度評(píng)價(jià)，并指出：“這項(xiàng)工作首次在光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)多比特連續(xù)變量量子糾纏，這一成果為可擴(kuò)展量子信息處理奠定了重要里程碑。”(This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information)。審稿過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)歷了無(wú)數(shù)個(gè)晝夜的實(shí)驗(yàn)、分析、討論，甚至前后三次推翻原有所有方案并重頭開(kāi)始。最終，團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格證明了糾纏簇態(tài)的成功制備與判定，五年磨一劍，成功報(bào)道了國(guó)際上首個(gè)基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)。
 

　　這一突破性成果的取得，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)成員在科學(xué)前沿研究中的堅(jiān)持與努力，也展現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在面對(duì)挑戰(zhàn)時(shí)的團(tuán)結(jié)與智慧。
 

　　北京大學(xué)物理學(xué)院2020級(jí)博士研究生賈新宇、2021級(jí)博士研究生翟翀昊、山西大學(xué)2021級(jí)博士研究生朱學(xué)志為文章共同第一作者。蘇曉龍、王劍威為共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院研究員常林，龔旗煌，物理學(xué)院博士研究生游暢、傅兆瑢、茆峻、戴天祥(現(xiàn)為香港大學(xué)博士后)，物理學(xué)院國(guó)家博新博士后鄭赟以及北京大學(xué)電子學(xué)院、山西大學(xué)的合作者。
 

　　本項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、山西省“1331工程”重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金以及北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京量子信息科學(xué)研究院、山西大學(xué)光量子技術(shù)與器件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院、合肥量子國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。