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北大物理學院王劍威、龔旗煌課題組在硅基光量子芯片研究方面取得重要進展
2019-12-27 13:31:14

  北京大學物理學院“極端光學創新研究團隊”王劍威研究員和龔旗煌院士領導的課題組,與英國、丹麥、奧地利和澳大利亞的學者合作,實現了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片-芯片間的量子隱形傳態功能,為芯片上光量子信息處理和計算模擬的應用,奠定了堅實的基礎。相關研究成果于近日發表在國際頂級物理期刊Nature Physics (https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。
  集成光量子芯片技術,結合了量子物理、量子信息和集成光子學等前沿學科,通過半導體微納加工制造高性能且大規模集成的光量子器件,實現對光量子信息的高效處理、計算和傳輸等功能。其中,利用硅基平面光波導集成技術的光量子芯片具有諸多獨特優勢,包括集成度高、穩定性好、編程操控性優越和可單片集成核心光量子器件等,因此被認為是一種實現光量子信息應用的重要手段之一。

  A. 硅基量子隱形傳態和多光子量子糾纏芯片的示意圖,左上角為集成量子光源的電子顯微鏡圖;B. 量子隱形傳態的量子線路圖;C. 量子糾纏互換的量子線路圖;D. GHZ糾纏制備的量子線路圖

  北京大學研究團隊與布里斯托爾大學、丹麥科技大學、奧地利科學院、赫瑞-瓦特大學和西澳大利亞大學科研人員密切合作,在硅基光量子芯片技術和應用方面取得了突破性進展。研究團隊發展了一種基于微環諧振腔的高性能集成量子光源,通過硅波導的強四波混頻非線性效應,實現了光子全同性優于90%、無需濾波后處理的50%觸發效率的單光子對源,達到了對4組微腔量子光源陣列的相干操控,片上雙光子量子糾纏源的保真度達到了92%。團隊實現了關鍵的可編程片上雙比特量子糾纏門,可以按照功能需要切換貝爾投影測量和量子比特焊接操作,通過量子態層析實驗確認了高保真的雙比特糾纏操作。
  研究團隊在單一硅芯片上實現了高性能量子糾纏光源、可編程雙比特量子糾纏門,以及可編程單量子比特測量的全功能集成,進而實現了三種核心量子功能模塊——芯片上四光子真糾纏、量子糾纏互換、芯片-芯片間的高保真量子隱形傳態。通過對兩對糾纏光子對進行量子比特焊接操作,團隊實現并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子糾纏的存在;通過對兩對糾纏光子中各一個光子進行貝爾投影操作,實現了量子糾纏互換功能,使來自不同光子源的光子間產生了量子糾纏;利用兩個芯片間的量子態傳輸和量子糾纏分布技術,實現了兩個芯片間任意單量子比特的量子隱形傳態,達到了近90%的隱形傳態保真度。
  團隊研制的硅基多光子量子芯片尺寸僅占幾平方毫米,比傳統實現方法小了約5-6個數量級,不僅達到了器件的微型化,同時具備了單片全功能集成、器件編程可控、系統性能優越等特點,其中量子隱形傳態保真度優于已報道的其它物理實現方法。多體量子糾纏體系的片上制備與量子調控技術,為片上量子物理基礎研究和片上光量子信息處理傳輸、量子計算模擬的應用提供了重要基礎。
  前期工作中,北京大學團隊還發展了硅基大規模集成的光量子芯片技術,實現了基于高維量子糾纏的復雜量子信息處理功能(Science 360, 285-291 (2018) );在芯片上實現了玻色取樣專用型光量子計算和量子模擬功能(Nature Physics 15, 925-929 (2019) );并應邀撰寫了集成光量子芯片技術綜述(Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-019-0532-1 (2019) )。
  論文第一作者為英國布里斯托爾大學博士生Daniel Llewellyn,丹麥科技大學丁運鴻研究員、ImadFaruque博士;通訊作者為北京大學王劍威;合作者還包括北京大學李焱教授和肖云峰教授、中山大學周曉祺教授等。
  這項工作得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京市自然科學基金、北京市量子信息科學研究院和廣東省重點領域研發計劃項目資助,以及北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電前沿科學研究中心和量子物質科學協同創新中心等機構支持。

  來源:北京大學新聞網

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