北大/浙大等今日Science: 具有纠缠修复能力的多芯片高维量子网络

2023-07-14 01:07

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近年来，量子信息技术飞速发展，有望在计算、通信、传感和成像等领域获得超越经典信息技术的重要应用。通过将多个量子节点进行相干量子互联，构建功能更为强大的量子网络是当前国际上的研究重点之一。集成光量子芯片为量子网络的构建提供了重要的硬件平台，通过将大量复杂的量子器件进行片上集成，有望发展出大规模且实用化的量子芯片网络。

近日，北京大学、浙江大学、中国科学院微电子所、香港中文大学、香港科技大学的合作团队，实现了集成光量子芯片间的高维量子纠缠网络。合作研究团队发展了硅基光量子芯片晶圆级制造、片上多维混合复用量子调控等关键技术及核心器件，提出了一种高维量子纠缠自修复方法，可快速恢复在复杂介质传输中已退化的高维纠缠，最终实现了多芯片高维纠缠量子网络，为进一步构建大规模量子网络开辟了新路径。2023年7月14日，相关研究成果以“具有纠缠修复能力的多芯片高维量子网络”（Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability）为题，发表在Science上。

量子网络是量子通信、时频同步、分布式量子计算和量子传感等领域的重要基础支撑。大规模量子网络的构建关键在于如何实现大规模量子节点之间的复杂量子纠缠态分发与传输。其挑战在于：量子网络架构以及量子硬件必须具备强扩展性，同时能够有力地支持大容量量子通道中高维纠缠量子态的高保真相干传输。此前，基于波分复用的量子纠缠网络架构方案已有报道，有望用于大规模量子纠缠的网络分发，但尚缺少可扩展量子硬件的支撑。而集成量子光学芯片具有高可控性、强可编程性、小尺寸和低成本等优势，是实现量子信息处理、计算和通信等功能的优异平台，也被认为是实现大规模量子网络的关键硬件基础。

面向未来大规模量子网络需求，亟需发展高性能芯片化量子节点技术，实现量子态产生、编码、解码、复用、操控、探测和存储等功能的一体化集成，保证最终仍具备量子态高保真度，并使之具备大规模扩展能力。值得注意的是，利用具有高信息容量和强抗噪能力的高维量子态进行量子信息的传输与处理具有重要意义，受到高度重视。与传统二维量子比特编码（如基于偏振或时间等自由度）不同的是，高维量子态进一步利用多模光波导/光纤的横向模式等新自由度进行编码，具有与经典光纤通信兼容等突出优点。然而，模式编码的量子态在复杂介质中传输时易受到外界环境扰动的影响，致使高维量子态的高保真相干传输受到了限制。

在本项研究工作中，研究团队发展了片上多维混合复用量子调控技术，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术自主研制了可大规模制造且具有晶圆级高一致性的硅基集成光量子器件与芯片，构建了多芯片高维量子网络。同时，提出和发展了一种高维量子纠缠自修复方法，可快速恢复在复杂介质中传输时已退化的高维纠缠，最终实现了多个光量子芯片间的高维量子纠缠相干分发功能。

图1 多芯片高维量子纠缠网络架构。

图1A为多芯片高维度量子纠缠网络架构示意图。对于一个n用户（图1A顶点）的全连接量子网络，需要n(n-1)/2个具有量子关联的光子对来进行连接（图1A灰色边）。利用片上多维混合复用技术，d维的纠缠光子对可以由光子的横向模式和偏振自由度进行混合编码（图1B），并通过波分复用技术在一根多模光纤信道中（图1A红色边）复用n-1组光子。在该网络中，多个纠缠光子对的同时分发由波分复用技术来实现，而芯片间高维纠缠态相干传输则通过片上路径编码以及多模光纤偏振-模式混合编码来实现。

图2 量子网络芯片的晶圆实物图和线路示意图。

针对高维量子网络发展需求，研究团队创新设计了具有大容差、大带宽等优异特性的硅基光量子器件，并发展了光量子芯片晶圆级制造工艺，成功研制了宽带量子光源、波分复用高阶微环阵列、任意可编程光量子线性网络、路径-偏振-模式相干转化的多模波导光栅等核心器件，且具有晶圆级高一致性和高扩展性，展现了构建大规模网络的突出潜力。基于此，团队进一步实现了高全同、可扩展的量子网络中心芯片和量子节点芯片（图2A-2B）。

同时，研究团队针对复杂介质中高维量子态极易受到外界环境扰动影响而不能高保真相干传输的问题，创新性地提出了一种高维量子纠缠自修复方法。与此前测量-反演方法修复量子态（即重构出复杂介质传输矩阵并施加逆传输矩阵）截然不同的是，本项研究工作发展了一种无需重构传输矩阵且可实时修复复杂量子信道中高维纠缠的技术。在此，通过编程并调控中心量子芯片和节点量子芯片的线性量子器件和量子光源阵列，即可有效修复已退化的高维量子纠缠态。图3A-3C为所测得的量子纠缠恢复实验结果，包括：模间串扰修复（图3A）、芯片-光纤-芯片系统稳定性长时测试（图3B）以及修复量子态重构密度矩阵（图3C），成功实现了多个光量子芯片间的高维量子纠缠相干分发功能。

图3. 高维量子纠缠恢复（A）、系统稳定性测试（B）及多芯片间量子纠缠分发（C）。

北京大学物理学院2019级博士研究生郑赟、2021级博士研究生翟翀昊、浙江大学光电科学与工程学院/杭州国际科创中心刘大建博士为共同第一作者，浙江大学戴道锌教授与北京大学王剑威研究员为共同通讯作者。主要合作者还包括：中国科学院微电子研究所杨妍研究员、唐波高级工程师、李志华研究员；北京大学李焱教授、龚旗煌教授；香港中文大学Hon Ki Tsang教授；北京大学物理学院博士研究生茆峻、陈晓炯、戴天祥、黄洁珊、包觉明、傅兆瑢以及香港中文大学、香港科技大学的合作者。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥量子国家实验室、浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室等大力支持。