集成光芯片上波導(dǎo)模式編碼量子邏輯門的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士/任希鋒教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了片上波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子邏輯門操作。該成果2022年2月11日以“Transverse Mode-Encoded Quantum Gate on a Silicon Photonic Chip”為題發(fā)表于Physical Review Letters。

  研究背景

  為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光量子系統(tǒng)，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。多模波導(dǎo)模式具有獨(dú)特性質(zhì)，如高維擴(kuò)展性、緊湊性以及與其它自由度的任意相干轉(zhuǎn)換等，這使得波導(dǎo)模式編碼在集成光子學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的前景。因此，近年來波導(dǎo)模式編碼備受關(guān)注。

  中科大任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)2016年在國際上首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)模式、偏振和路徑編碼糾纏態(tài)之間的相干轉(zhuǎn)換；并于2019年實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼糾纏光源制備。但是作為光量子計(jì)算核心器件的兩比特量子邏輯門尚未采用波導(dǎo)模式編碼實(shí)現(xiàn)。

  研究創(chuàng)新點(diǎn)

  中科大任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)和研制了波導(dǎo)模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等新型多模光子器件，分別用于實(shí)現(xiàn)特定的模式相關(guān)耦合和模式相關(guān)衰減等功能。

圖1 波導(dǎo)模式耦合器（TMDDC）示意圖

圖2 模式衰減器（MMA）示意圖

  該團(tuán)隊(duì)將這些新型光子功能器件單片集成，制備了波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子受控非門，信息比特0和1分別編碼在波導(dǎo)模式TE0和TE1上。為了驗(yàn)證量子邏輯門的功能，最為標(biāo)準(zhǔn)的方法是做量子過程層析，需要16*16個(gè)量子態(tài)制備和測量過程。他們利用波導(dǎo)模式自由度與路徑自由度的相干轉(zhuǎn)換，集成了片上路徑編碼量子態(tài)制備和探測模塊，實(shí)現(xiàn)了量子邏輯門過程層析測量，實(shí)驗(yàn)得到的保真度為0.82±0.01。這個(gè)邏輯門可以用來制備波導(dǎo)模式糾纏態(tài)，得到4個(gè)Bell最大糾纏態(tài)的平均保真度為0.89±0.02。

圖3 完整的波導(dǎo)模式編碼量子邏輯門示意圖

  總結(jié)與展望

  至此，全片上波導(dǎo)模式編碼量子信息過程所需的全部基本操作均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，為下一步波導(dǎo)模式編碼高維光量子芯片及多自由度復(fù)用光量子芯片研究鋪平了道路。

  中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒教授、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員馮蘭天和浙江大學(xué)助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院等資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.060501