【產(chǎn)通社，3月3日訊】北京大學(xué)（Peking University）官網(wǎng)消息，物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組與山西大學(xué)蘇曉龍教授課題組合作，在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表一項以《基于集成光量子頻率梳芯片的連續(xù)變量多體量子糾纏》（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）為題的突破性研究成果。該團隊在國際上首次實現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量簇態(tài)量子糾纏，為光量子芯片的大規(guī)模擴展及其在量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。研究團隊通過創(chuàng)新性地發(fā)展超低損耗的連續(xù)變量光量子芯片調(diào)控技術(shù)和多色相干泵浦與探測技術(shù)，成功在氮化硅集成頻率梳微環(huán)腔的真空壓縮頻率超模上確定性地制備出多比特糾纏簇態(tài)，并實現(xiàn)不同簇態(tài)糾纏結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)調(diào)控。同時，團隊利用van Loock-Furusawa判據(jù)實驗違背和完備的nullifier（零化子）關(guān)聯(lián)矩陣測量，對連續(xù)變量簇態(tài)的糾纏結(jié)構(gòu)進行了嚴(yán)格實驗判定。這一研究成果不僅解決了以往集成光量子芯片面臨的擴展性難題，還為未來實現(xiàn)更大尺度的量子糾纏與量子調(diào)控提供了新的技術(shù)路徑。該成果標(biāo)志著集成光量子芯片技術(shù)在量子信息處理領(lǐng)域的重要突破，為量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的實用化發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

量子信息的基本單元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可統(tǒng)稱為量子比特。它們可分別通過離散變量和連續(xù)變量編碼在光量子體系中實現(xiàn)，各具優(yōu)缺點。例如，基于單光子的離散變量體系能夠?qū)崿F(xiàn)超高保真度的量子比特操作，但其面臨的主要挑戰(zhàn)是制備量子比特和量子糾纏存在概率性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)手段，離散變量量子糾纏的制備成功率隨比特數(shù)增加呈指數(shù)下降，這限制了其可擴展性。相比之下，基于光場正交分量編碼的連續(xù)變量體系能夠確定性產(chǎn)生量子比特和量子糾纏，盡管其操控保真度略低，卻為大尺度光量子糾纏態(tài)的制備提供了一條極具前景的技術(shù)路徑。

集成光量子芯片是一種能夠在微納尺度上編碼、處理、傳輸和存儲光量子信息的先進平臺。自2008年國際上實現(xiàn)首個離散變量集成光量子芯片以來，集成光子芯片材料和技術(shù)取得了顯著進展，并在離散變量光量子信息領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，連續(xù)變量集成光量子芯片的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，集成光學(xué)參量放大過程要求芯片具備高光學(xué)非線性和低光學(xué)損耗等高性能；另一方面，對片上多模壓縮光場與糾纏的機理理解不足，多模糾纏調(diào)控與驗證也存在技術(shù)瓶頸。這些因素導(dǎo)致連續(xù)變量光量子芯片的研究長期處于起步階段，其編碼與糾纏的比特數(shù)僅限于單�；螂p模壓縮態(tài)，而多模（多比特）量子糾纏態(tài)的片上制備與驗證仍極具挑戰(zhàn)性。

糾纏簇態(tài)作為一種典型的多比特量子糾纏態(tài)，在量子信息科學(xué)中具有極其重要的地位。簇態(tài)不僅是單向量子計算的核心資源，還在量子糾錯和容錯量子計算中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時為量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了重要支持，并可用于模擬復(fù)雜的多體量子系統(tǒng)。盡管簇態(tài)糾纏的重要性已被廣泛認可，但其大規(guī)模制備技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。此前，光量子芯片上的簇態(tài)糾纏研究主要集中在離散變量體系，確定性地制備大規(guī)模糾纏簇態(tài)面臨巨大實驗困難，而連續(xù)變量簇態(tài)的片上制備和驗證技術(shù)在國際上仍屬空白。


在本研究中，研究團隊首次在國際上實現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的確定性制備、可重構(gòu)調(diào)控與嚴(yán)格實驗驗證。這一突破性成果不僅填補了連續(xù)變量光量子芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)空白，還為大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備與操控提供了全新的技術(shù)路徑，對推動量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子模擬等領(lǐng)域的實用化發(fā)展具有非常重要的意義。

值得一提的是，當(dāng)前糾纏模式數(shù)目的限制主要來自集成微腔的尺度（即頻率間隔）和多色泵浦光的數(shù)目。團隊已成功解決了基礎(chǔ)的科學(xué)問題，為未來實現(xiàn)更大規(guī)模簇態(tài)糾纏及其在量子信息處理中的應(yīng)用奠定了重要的物理基礎(chǔ)。面向大規(guī)模擴展主要依賴于工程技術(shù)的優(yōu)化，例如，通過先進芯片加工技術(shù)制備更大尺度的微腔，以及利用相位鎖定的光學(xué)頻率梳進行激發(fā)等工程手段，可以顯著提升糾纏態(tài)的規(guī)模和復(fù)雜度。

自2018年建組以來，Q-chip Lab團隊便重點關(guān)注連續(xù)變量光量子芯片研究。本項研究成果的取得，離不開團隊賈新宇、翟翀昊、游暢、鄭赟、傅兆瑢等成員，多年來的不懈努力與堅持。特別是2020級博士生賈新宇，從2019年本科大四開始便投身于這一領(lǐng)域，本科畢業(yè)論文以“片上連續(xù)變量糾纏光源研究”為題進行了理論分析與設(shè)計。在隨后的5年博士生涯中，他始終專注于這一研究方向，歷經(jīng)4輪器件設(shè)計加工、測試系統(tǒng)搭建與優(yōu)化，終于在2022年8月實驗得到單/雙模壓縮態(tài)，并于2023年4月獲得頻率域糾纏的初步實驗結(jié)果。與此同時，2021級博士生翟翀昊在前期實驗基礎(chǔ)上，從理論上深入研究了集成微環(huán)諧振腔內(nèi)三階非線性過程產(chǎn)生模式糾纏的物理機制以及頻率邊帶響應(yīng)規(guī)律，建立了多模糾纏的完整分析驗證方法，并提出了消除零化子非對角噪聲關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新方案。團隊成員在理論與實驗之間緊密合作，相繼發(fā)展了基于超模的簇態(tài)制備與調(diào)控、多色相干泵浦探測技術(shù)、量子光場線性調(diào)控等關(guān)鍵理論與技術(shù)。2024年4月，團隊將研究成果投稿至《自然》，獲得了審稿人的高度評價，并指出：“這項工作首次在光學(xué)芯片上實現(xiàn)多比特連續(xù)變量量子糾纏，這一成果為可擴展量子信息處理奠定了重要里程碑�！保═his is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。審稿過程中，團隊成員經(jīng)歷了無數(shù)個晝夜的實驗、分析、討論，甚至前后三次推翻原有所有方案并重頭開始。最終，團隊嚴(yán)格證明了糾纏簇態(tài)的成功制備與判定，五年磨一劍，成功報道了國際上首個基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)。

這一突破性成果的取得，離不開團隊成員在科學(xué)前沿研究中的堅持與努力，也展現(xiàn)了團隊在面對挑戰(zhàn)時的團結(jié)與智慧。北京大學(xué)物理學(xué)院2020級博士研究生賈新宇、2021級博士研究生翟翀昊、山西大學(xué)2021級博士研究生朱學(xué)志為文章共同第一作者。蘇曉龍、王劍威為共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院研究員常林，龔旗煌，物理學(xué)院博士研究生游暢、傅兆瑢、茆峻、戴天祥（現(xiàn)為香港大學(xué)博士后），物理學(xué)院國家博新博士后鄭赟以及北京大學(xué)電子學(xué)院、山西大學(xué)的合作者。

本項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計算機”重大項目、北京市自然科學(xué)基金、山西省基礎(chǔ)研究計劃、山西省“1331工程”重點學(xué)科建設(shè)基金以及北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、北京量子信息科學(xué)研究院、山西大學(xué)光量子技術(shù)與器件全國重點實驗室、山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心、北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院、合肥量子國家實驗室等的大力支持。查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://news.pku.edu.cn/jxky/9b407594490445848fc9282cdd070c11.htm。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）