多自由度光量子芯片呼之欲出

  任希鋒

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

  前不久，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在光量子芯片研究中取得的重要進展：該團隊任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團隊合作，在國際首次實現(xiàn)了片上波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子邏輯門操作。

  這一研究成果的實現(xiàn)，不僅為多自由度光量子芯片的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，也意味著能夠?qū)崿F(xiàn)進行波導(dǎo)模式編碼普適量子計算所需的所有基本操作。如此“不明覺厲”的科研成果意味著什么？

  波導(dǎo)模式引發(fā)科學(xué)界、業(yè)界諸多關(guān)注

  “波導(dǎo)模式編碼可以從0編碼到無窮，因而能夠用于高維編碼過程?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授任希鋒告訴記者，波導(dǎo)通常是用來定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。在光子芯片中，光場被束縛在光波導(dǎo)中，以特定的橫向電場分布，或者說能量分布傳輸。根據(jù)波導(dǎo)尺寸、材料特性、光波波長等因素，光會有不同的橫向電場分布。

  “我們把這些不同的電場橫向分布特性稱為不同的波導(dǎo)模式?！比蜗ｄh說，波導(dǎo)尺寸越大，支持的波導(dǎo)模式就越多。這些不同的波導(dǎo)模式按照電場分布特征進行命名，通常被寫為TE0、TM0、TE1、TM1等?！爱斠桓▽?dǎo)支持的波導(dǎo)模式為2個或以上時，我們就稱它為多模波導(dǎo)?！?

  “如果我們把信息編碼在這些不同的波導(dǎo)模式上，例如TE0編碼信息比特0，TE1編碼信息比特1，這種方式就被稱為波導(dǎo)模式編碼?！比蜗ｄh告訴記者，由于波導(dǎo)模式理論上可以有很多，所以編碼的信息維度就超過0和1這種二維編碼方式，可以從0編碼到無窮，因而能夠用于高維編碼過程。

  也正是由于波導(dǎo)模式可以用來編碼高維信息，提高通信的信道容量，所以在經(jīng)典片上光通訊中，其引起科學(xué)界和業(yè)界越來越多的關(guān)注。

  首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理

  “我們的合作者，戴道鋅教授及團隊在此方面做了很多有影響力的工作?！比蜗ｄh說，在他們之間合作的第一個工作中，就在國際上首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理，實現(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，證明波導(dǎo)模式編碼方式對量子信號也是可行的。他們的這項成果在《自然·通訊》上發(fā)表。

  “由于我們用來攜帶量子信號的載體是光子，所以要制備編碼在波導(dǎo)模式上的量子光源，便是我們第二個工作?！比蜗ｄh說，在這項工作中，他們成功地在硅光芯片上制備了波導(dǎo)模式編碼的量子糾纏源。這項研究成果也被發(fā)表在《npj量子信息》上。

  “正是因為有了前期工作的技術(shù)積累和儲備，我們的第三個工作是關(guān)于邏輯門的，而這項工作也非常具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性?！比蜗ｄh告訴記者，為了實現(xiàn)全片上波導(dǎo)模式編碼光學(xué)量子信息過程，他們需要實現(xiàn)兩比特量子受控非門操作，而這項操作是最重要的一個兩比特量子操作，是實現(xiàn)量子計算不可或缺的邏輯門。

  “我們先以比較成熟的路徑編碼方式對量子受控非門進行了實驗實現(xiàn)，積累了技術(shù)，也摸索了經(jīng)驗。”任希鋒表示，在這第三個工作中，他們構(gòu)建了世界上最小尺寸的光學(xué)量子受控非門，對路徑編碼量子信息過程也是一個很大的促進。而這項工作的成果也發(fā)表在了著名的《物理評論快報》上。

  為波導(dǎo)模式編碼量子操作鋪平道路

  任希鋒告訴記者，要實現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼量子邏輯門，需要一些對波導(dǎo)模式獨立調(diào)控的特殊操作。這里主要包含兩類，一類是實現(xiàn)兩根波導(dǎo)之間，不同波導(dǎo)模式光場的不同耦合強度；另外一類是實現(xiàn)不同波導(dǎo)模式光場不同的能量衰減比例。

  “這些器件都是以前沒有的。我們和戴道鋅教授團隊合作，率先提出并成功研制了這兩款新穎的光子器件。”任希鋒說，他們自主設(shè)計和研制的波導(dǎo)模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）兩種新型多模光子器件可以作為基本器件，應(yīng)用在其它多模光信息處理中?！拔覀冋故镜牟▽?dǎo)模式編碼量子受控非門，再加上單比特旋轉(zhuǎn)，級聯(lián)后就可以實現(xiàn)各類量子操作，可為相應(yīng)研究領(lǐng)域提供最基本的工具?！?

  波導(dǎo)模式作為可以實現(xiàn)高維的信息編碼技術(shù)，其高維信息過程可以帶來更大的信道容量、更高保真度的量子操作以及更魯棒的量子信息傳輸，因此越來越受到關(guān)注。“我們已經(jīng)在芯片上完成了波導(dǎo)模式編碼量子比特的單比特旋轉(zhuǎn)和兩比特量子受控非門操作，也就是說，實現(xiàn)了進行普適量子計算所需的所有基本操作。理論上，通過這兩類基本操作的大規(guī)模級聯(lián)，我們就能實現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼的量子計算。”任希鋒也坦言，這當中還有很長的路要走。

  “另外，我們也證明這種編碼方式和原有的路徑編碼、偏振編碼是不沖突的，可以任意相干轉(zhuǎn)換，所以也為多自由度光量子芯片的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)?！比蜗ｄh表示。