實現(xiàn)功能強(qiáng)大的量子信息處理芯片是當(dāng)前量子科技革命的關(guān)鍵。一個由布里斯托爾大學(xué)物理系量子光學(xué)中心、北京大學(xué)“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊”等單位組成的國際合作團(tuán)隊，于2018年3月8日在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上報告利用大規(guī)模集成硅基納米光量子芯片技術(shù)，實現(xiàn)對高維度光量子糾纏體系的高精度和普適化量子調(diào)控和量子測量。

基于硅納米光波導(dǎo)的大規(guī)模集成光量子芯片（可實現(xiàn)對高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測量）

集成光學(xué)量子芯片技術(shù)基于量子力學(xué)基本物理原理，使用半導(dǎo)體微納加工工藝實現(xiàn)單片集成光波導(dǎo)量子器件（包括單光子源、量子操控和測量光路，以及單光子探測器等），可以實現(xiàn)對量子信息的載體單光子進(jìn)行處理、計算、傳輸和存儲等。集成光學(xué)量子芯片具有集成度高、穩(wěn)定性高、性能好、體積小、制造成本低等諸多優(yōu)點。因此，該技術(shù)被普遍認(rèn)為是一種實現(xiàn)光量子信息應(yīng)用的有效技術(shù)手段。

利用硅基納米光波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)的光量子芯片具有諸多獨特優(yōu)點，例如與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容、可集成度高、非線性效用強(qiáng)，以及工作波長與光纖量子通信兼容等。然而，迄今為止光量子芯片的復(fù)雜度僅限于小規(guī)模的演示，如集成少數(shù)馬赫-曾德干涉儀對光子態(tài)進(jìn)行簡單操控。因此，我們迫切需要擴(kuò)大集成量子光路的復(fù)雜性和功能性，增強(qiáng)其量子信息處理技術(shù)的能力，從而推進(jìn)量子信息技術(shù)的應(yīng)用。

相干且精確地控制復(fù)雜量子器件和多維糾纏系統(tǒng)是量子信息科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的一項難點。相對于目前普遍采用的二維體系量子技術(shù)，高維體系量子技術(shù)具有信息容量大、計算效率高，以及抗噪聲性強(qiáng)等諸多優(yōu)點。最近，多維度量子糾纏系統(tǒng)已分別在光子、超導(dǎo)、離子和量子點等物理體系中實現(xiàn)。利用光子的不同自由度，如軌道角動量模式、時域和頻域模式等，可以有效編碼和處理多維光量子態(tài)。然而，實現(xiàn)高保真度、可編程及任意通用的高維度量子態(tài)操控和量子測量，依然面臨很多困難和挑戰(zhàn)。

針對上述問題，英國布里斯托爾大學(xué)、北京大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)、德國馬普研究所、西班牙光學(xué)研究所和波蘭科學(xué)院的科研人員密切合作，取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊提出并實現(xiàn)了一種新型的多路徑加載高維量子態(tài)方式，即每個光子以量子疊加態(tài)的形式同時存在于多條光波導(dǎo)路徑，從而實現(xiàn)了一個高達(dá)15×15的高維量子糾纏系統(tǒng)。通過可控地激發(fā)16個參量四波混頻單光子源陣列，可以制備具有任意復(fù)系數(shù)的高維度量子糾纏態(tài)。通過單片集成通用型線性光路，可對高維量子糾纏態(tài)進(jìn)行任意操控和任意測量。因此，該多路徑高維量子方案具有任意通用性。與此同時，團(tuán)隊充分利用集成光路的高穩(wěn)定性和高可控性，實現(xiàn)了高保真度的高維量子糾纏態(tài)，如4、8和12維度糾纏態(tài)的量子態(tài)層析結(jié)果分別為96、87%和81%保真度，遠(yuǎn)超其他方式制備的高維量子糾纏態(tài)性能。

更重要的是，團(tuán)隊通過硅基納米光子集成技術(shù)，實現(xiàn)了目前集成度最復(fù)雜的光量子芯片（如圖所示），單片集成550多個光量子元器件，包括16個全同的參量四波混頻單光子源陣列、93個光學(xué)移相器、122個光束分束器、256個波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)以及64個光柵耦合器，從而達(dá)到對高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測量。

研究進(jìn)一步利用該高維光量子芯片技術(shù)，驗證高維度量子糾纏系統(tǒng)的強(qiáng)量子糾纏關(guān)聯(lián)特性，包括普適化貝爾不等式和EPR導(dǎo)引不等式等，證明量子物理和經(jīng)典物理定律的重要區(qū)別。例如，對4維度量子糾纏態(tài)，實驗觀察得到了2.867±0.014的貝爾參數(shù)，不僅成功違背經(jīng)典物理定律61.9個標(biāo)準(zhǔn)差，而且超過普通二維糾纏體系的最大可到達(dá)值的2.8個標(biāo)準(zhǔn)差。研究還首次實現(xiàn)了高維量子系統(tǒng)的貝爾自檢測和量子隨機(jī)放大等新功能，例如，對3維度最大糾纏態(tài)和部分糾纏態(tài)的自檢測保真度約為76%，對14維以下糾纏態(tài)均實現(xiàn)了量子隨機(jī)放大功能。研究展示出高維量子體系在量子通信和量子計算方面的獨特優(yōu)勢，并有望擴(kuò)展于更復(fù)雜更高維度的量子糾纏體系。研究工作將有效推進(jìn)量子通信和量子計算等領(lǐng)域的重要實際應(yīng)用，這對占據(jù)量子信息科學(xué)與技術(shù)制高點等具有重要的戰(zhàn)略意義。

布里斯托爾大學(xué)、現(xiàn)北京大學(xué)學(xué)者王劍威，布里斯托爾大學(xué)博士生Stefano Paesani以及丹麥科技大學(xué)研究員丁運鴻位研究論文的共同第一作者。論文作者還包括北京大學(xué)龔旗煌教授、布里斯托爾大學(xué)Jeremy O’Brien教授和Mark Thompson教授等、西班牙ICFO Antonio Acin教授，以及德國馬普研究所、波蘭科學(xué)院和哥本哈根大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室等的支持。