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极端光学团队国际合作实现大规模硅基集成高维光量子芯片

发布时间:2018-04-01 23:18

     

  实现功能强大的量子消息处置芯片是当前量子科技革命的环节。一个由布里斯托尔大学物理系量子光学核心、北京大学“极端光学立异研究团队”等单元构成的国际合作团队,于2018年3月8日在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上演讲操纵大规模集成硅基纳米光量子芯片手艺,实现对高维度光量子纠缠系统的高精度和普适化量子调控和量子丈量。

  集成光学量子芯片手艺基于量子力学根基物理道理,利用半导体微纳加工工艺实现单片集成光波导量子器件(包罗单光子源、量子操控和丈量光路,以及单光子探测器等),能够实现对量子消息的载体单光子进行处置、计较、传输和存储等。集成光学量子芯片具有集成度高、不变性高、机能好、体积小、制形成本低等诸多长处。因而,该手艺被遍及认为是一种实现光量子消息使用的无效手艺手段。

  操纵硅基纳米光波导手艺实现的光量子芯片具有诸多奇特长处,例如与保守微电子加工工艺兼容、可集成度高、非线性效用强,以及工作波长与光纤量子通信兼容等。然而,迄今为止光量子芯片的复杂度仅限于小规模的演示,如集成少数马赫-曾德干与仪对光子态进行简单操控。因而,我们火急需要扩大集成量子光路的复杂性和功能性,加强其量子消息处置手艺的能力,从而推进量子消息手艺的使用。

  相关且切确地节制复杂量子器件和多维纠缠系统是量子消息科学和手艺范畴的一项难点。相对于目前遍及采用的二维系统量子手艺,高维系统量子手艺具有消息容量大、计较效率高,以及抗噪声性强等诸多长处。比来,多维怀抱子纠缠系统已别离在光子、超导、离子和量子点等物理系统中实现。操纵光子的分歧自在度,如轨道角动量模式、时域和频域模式等,能够无效编码和处置多维光量子态。然而,实现高保真度、可编程及肆意通用的高维怀抱子态操控和量子丈量,仍然面对良多坚苦和挑战。

  针对上述问题,英国布里斯托尔大学、北京大学、丹麦手艺大学、德国马普研究所、西班牙光学研究所和波兰科学院的科研人员密符合作,取得了冲破性进展。研究团队提出并实现了一种新型的多路径加载高维量子态体例,即每个光子以量子迭加态的形式同时具有于多条光波导路径,从而实现了一个高达15×15的高维量子纠缠系统。通过可控地激发16个参量四波混频单光子源阵列,能够制备具有肆意复系数的高维怀抱子纠缠态。通过单片集成通用型线性光路,可对高维量子纠缠态进行肆意操控和肆意丈量。因而,该多路径高维量子方案具有肆意通用性。与此同时,团队充实操纵集成光路的高不变性和高可控性,实现了高保真度的高维量子纠缠态,如4、8和12维度纠缠态的量子态层析成果别离为96、87%和81%保真度,远超其他体例制备的高维量子纠缠态机能。

  更主要的是,团队通过硅基纳米光子集成手艺,实现了目前集成度最复杂的光量子芯片(如图所示),单片集成550多个光量子元器件,包罗16个全同的参量四波混频单光子源阵列、93个光学移相器、122个光束分束器、256个波导交叉布局以及64个光栅耦合器,从而达到对高维量子纠缠系统的高精度、可编程、且肆意通用量子操控和量子丈量。

  研究进一步操纵该高维光量子芯片手艺,验证高维怀抱子纠缠系统的强量子纠缠联系关系特征,包罗普适化贝尔不等式和EPR扶引不等式等,证明量子物理和典范物理定律的主要区别。例如,对4维怀抱子纠缠态,尝试察看获得了2.867±0.014的贝尔参数,不只成功违背典范物理定律61.9个尺度差,并且跨越通俗二维纠缠系统的最大可达到值的2.8个尺度差。研究还初次实现了高维量子系统的贝尔自检测和量子随机放大等新功能,例如,对3维度最大纠缠态和部门纠缠态的自检测保线维以下纠缠态均实现了量子随机放大功能。研究展现出高维量子系统在量子通信和量子计较方面的奇特劣势,并无望扩展于更复杂更高维度的量子纠缠系统。研究工作将无效推进量子通信和量子计较等范畴的主要现实使用,这对占领量子消息科学与手艺制高点等具有主要的计谋意义。

  布里斯托尔大学、现北京大学青年千人打算学者王剑威,布里斯托尔大学博士生Stefano Paesani以及丹麦科技大学研究员丁运鸿位研究论文的配合第一作者。论文作者还包罗北京大学龚旗煌传授、布里斯托尔大学Jeremy O’Brien传授和Mark Thompson传授等、西班牙ICFO Antonio Acin传授,以及德国马普研究所、波兰科学院和哥本哈根大学等机构的学者。

  该研究工作获得了国度天然科学基金委、人工微布局和介观物理国度重点尝试室等的支撑。





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