多自由度光量子芯片呼之欲出

  任希鋒

  中國科學技術大學教授

  前不久，國際知名學術期刊《物理評論快報》發(fā)表了中國科學技術大學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戴道鋅團隊合作，在國際首次實現(xiàn)了片上波導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，也意味著能夠?qū)崿F(xiàn)進行波導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？

  波導模式引發(fā)科學界、業(yè)界諸多關注

  “波導模式編碼可以從0編碼到無窮，因而能夠用于高維編碼過程?！敝袊茖W技術大學教授任希鋒告訴記者，波導通常是用來定向引導電磁波的結(jié)構(gòu)。在光子芯片中，光場被束縛在光波導中，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模式?！比蜗ｄh說，波導尺寸越大，支持的波導模式就越多。這些不同的波導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▽еС值牟▽Ｊ綖?個或以上時，我們就稱它為多模波導?！?

  “如果我們把信息編碼在這些不同的波導模式上，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模式編碼?！比蜗ｄh告訴記者，由于波導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，其引起科學界和業(yè)界越來越多的關注。

  首次將波導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模式編碼用于量子信息處理，實現(xiàn)了波導模式、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積累和儲備，我們的第三個工作是關于邏輯門的，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)全片上波導模式編碼光學量子信息過程，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，也摸索了經(jīng)驗?！比蜗ｄh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)波導模式編碼量子邏輯門，需要一些對波導模式獨立調(diào)控的特殊操作。這里主要包含兩類，一類是實現(xiàn)兩根波導之間，不同波導模式光場的不同耦合強度；另外一類是實現(xiàn)不同波導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，他們自主設計和研制的波導模式耦合器（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，應用在其它多模光信息處理中?！拔覀冋故镜牟▽Ｊ骄幋a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，可為相應研究領域提供最基本的工具?！?

  波導模式作為可以實現(xiàn)高維的信息編碼技術，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，因此越來越受到關注。“我們已經(jīng)在芯片上完成了波導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。”任希鋒表示。