Nat. Photonics: 基于硅纳米光子学的芯片级偏振-空间动量量子 SWAP 门

2023-08-25 03:08

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近几十年来，量子计算取得了显著的进展，并在不同的物理平台上实现了量子优越性。光子作为量子比特具有抗干扰、易操控等优势，光子通道能够在远距离的网络节点之间建立低损耗、长距离的量子链路。此外，光子在多个自由度中具有明确定义的希尔伯特空间，使其适合与不同光子平台进行互联。近年来发展的集成光子学平台为光量子系统的大规模扩展提供了新途径，有利于实现互联量子系统和分布式量子计算。通用量子计算需要单比特和双比特门操作，而后者通常是概率性的，其资源开销随着量子门的数量呈指数级增加。构建高质量的量子门、降低量子门操作的资源开销以及实现多自由度之间的高效量子互联等仍然构建量子网络的关键问题。

近日，加州大学洛杉矶分校、哥伦比亚大学、南京大学、土耳其中东科技大学、新加坡微电子研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、新加坡先进微晶圆厂、麻省理工学院的合作团队，实现了首个偏振与空间动量自由度间的硅基片上量子SWAP门。合作团队研究开发了多层级硅基光量子芯片，制备了高精度的级联量子逻辑门，实现了确定性的高保真量子SWAP操作，并以此验证了芯片系统间的多自由度光量子互联，为未来构建模块化互联量子信息系统提供了集成量子信息处理的新路径。相关成果于2023年6月15日以“基于硅纳米光子学的芯片级偏振-空间动量量子 SWAP 门”（A chip-scale polarization-spatial-momentum quantum SWAP gate in silicon nanophotonics）为题，发表于Nature Photonics。

在本项研究工作中，研究团队基于互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术研发了多层级联的片上量子比特逻辑门，在单光子水平上实现偏振量子比特与空间动量量子比特之间的高质量确定性纠缠置换；全面地表征了该片上量子SWAP门对单双量子比特的操控，并验证了量子相干性。此外，利用片上量子SWAP门的相干可逆转换，实现了在两个光子芯片系统之间不同自由度的光量子互联。该硅基片上SWAP门为芯片尺度的确定性量子信息处理开辟了途径，并为互联量子信息系统提供了一个光量子接口。

图1 片上偏振-空间动量单光子双量子比特SWAP门。a,双量子比特SWAP门的逻辑线路示意图。b, 偏振控制非门的扫描电子显微镜图像。c, 集成两级偏振旋转器的结构示意图。d, 偏振旋转器的扫描电子显微镜图像。e, 倒锥耦合器的扫描电子显微镜图像。f, 级联结构的完整片上SWAP门的光学显微图像。

图1是实现偏振-空间动量量子SWAP门的光量子芯片示意图。该芯片由三个级联的受控量子非门组成，分别为偏振控制非门、空间动量控制非门和另一个偏振控制非门。这种级联设计可以在中间的量子门处使控制比特与目标比特互换，从而实现量子纠缠交换操作。研究团队开发了自对准两级纳米制造方法以实现偏振旋转器所需的高消光比。量子SWAP门最终实现了97.4 ± 0.2%的真值表保真度。

研究人员进一步通过量子过程层析对片上量子SWAP门的单双量子比特操作进行全面地表征（图2）。对于偏振量子比特到空间动量量子比特的单比特转换操作，片上SWAP门实现了平均量子态保真度为97.3 ± 0.3%（图2a）。并以此进一步计算了量子过程层析矩阵，对于不同的空间动量态输入，实现了平均量子过程保真度为95.5 ± 0.1%（图2b）。对于双量子比特转换操作，该片上SWAP门实现了94.9 ± 2.0%的量子过程保真度，验证了高质量的量子纠缠转换。

图2 单量子比特与双量子比特操作的量子过程层析。a, 偏振到空间动量的单量子比特转换。b, 单量子比特转换的量子过程矩阵。c, 双量子比特SWAP门的量子过程矩阵。

图3 片上SWAP门的量子相干性保存以及双芯片间的量子态分发。a, 单光子双量子比特SWAP门的相位相干性验证。b, 量子SWAP门操作后的双光子Hong-Ou-Mandel干涉。c, 双量子芯片间的量子态分发实验装置图。d, 经过量子态分发后测量得到的偏振贝尔态密度矩阵。

理想的SWAP操作是一个相干的相位保持过程。研究人员通过观测通过片上SWAP操作后两个空间动量模式的单光子自干涉条纹，得到了平均干涉可见度高达98.7 ± 0.4%，证实了从输入偏振量子比特到输出空间动量量子比特的相干相位传递（图3a）。通过测量对于不同偏振输入态组合的输出光子的Hong-Ou-Mandel干涉，验证了片上SWAP过程对双光子的量子相干性保持（图3b）。

基于该高保真的量子相干SWAP门，研究人员利用片上SWAP过程的可逆转换验证了一个不同自由度之间的高效光量子互联。通过连接两个SWAP门芯片，实现了偏振-空间动量-偏振的量子纠缠交换，验证了片上SWAP门的相干可逆转换，为不同自由度间的光量子互联提供了实用工具，可用于实现分布式量子计算和量子传感。

加州大学洛杉矶分校介观光子学与量子电子实验室程祥博士、Kai-Chi Chang博士与谢臻达博士（现为南京大学教授）为共同第一作者，加州大学洛杉矶分校程祥博士、Kai-Chi Chang博士与Chee Wei Wong教授为共同通讯作者。其他主要合作者还包括：加州大学洛杉矶分校电子工程系博士生Murat C. Sarihan、Abhinav K. Vinod、Yoo Seung Lee博士、李勇男博士（现为天津大学教授），哥伦比亚大学研究生XinAn Xu、土耳其中东科技大学Serdar Kocaman，新加坡微电子研究院Mingbin Yu博士、Patrick Guo-Qiang Lo博士、Dim-Lee Kwong博士，以及麻省理工学院电子实验室Jeffrey H. Shapiro教授与Franco N. C. Wong博士。

论文链接：

Xiang Cheng, Kai-Chi Chang, Zhenda Xie, Murat Can Sarihan, Yoo Seung Lee, Yongnan Li, XinAn Xu, Abhinav Kumar Vinod, Serdar Kocaman, Mingbin Yu, Patrick Guo-Qiang Lo, Dim-Lee Kwong, Jeffrey H. Shapiro, Franco N. C. Wong, and Chee Wei Wong. A chip-scale polarization-spatial-momentum quantum SWAP gate in silicon nanophotonics. Nature Photonics 17, 656–665 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41566-023-01224-x

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