集成光芯片上波導模式編碼量子邏輯門的實驗實現(xiàn)

  近日，中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室郭光燦院士/任希鋒教授團隊、浙江大學光電科學與工程學院/現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授團隊在國際上首次實現(xiàn)了片上波導模式編碼的兩比特量子邏輯門操作。該成果2022年2月11日以“Transverse Mode-Encoded Quantum Gate on a Silicon Photonic Chip”為題發(fā)表于Physical Review Letters。

  研究背景

  為了實現(xiàn)大規(guī)模光量子系統(tǒng)，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。多模波導模式具有獨特性質，如高維擴展性、緊湊性以及與其它自由度的任意相干轉換等，這使得波導模式編碼在集成光子學領域中有著廣泛的前景。因此，近年來波導模式編碼備受關注。

  中科大任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅團隊2016年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)之間的相干轉換；并于2019年實現(xiàn)波導模式編碼糾纏光源制備。但是作為光量子計算核心器件的兩比特量子邏輯門尚未采用波導模式編碼實現(xiàn)。

  研究創(chuàng)新點

  中科大任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅團隊自主設計和研制了波導模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等新型多模光子器件，分別用于實現(xiàn)特定的模式相關耦合和模式相關衰減等功能。

圖1 波導模式耦合器（TMDDC）示意圖

圖2 模式衰減器（MMA）示意圖

  該團隊將這些新型光子功能器件單片集成，制備了波導模式編碼的兩比特量子受控非門，信息比特0和1分別編碼在波導模式TE0和TE1上。為了驗證量子邏輯門的功能，最為標準的方法是做量子過程層析，需要16*16個量子態(tài)制備和測量過程。他們利用波導模式自由度與路徑自由度的相干轉換，集成了片上路徑編碼量子態(tài)制備和探測模塊，實現(xiàn)了量子邏輯門過程層析測量，實驗得到的保真度為0.82±0.01。這個邏輯門可以用來制備波導模式糾纏態(tài)，得到4個Bell最大糾纏態(tài)的平均保真度為0.89±0.02。

圖3 完整的波導模式編碼量子邏輯門示意圖

  總結與展望

  至此，全片上波導模式編碼量子信息過程所需的全部基本操作均已經實現(xiàn)，為下一步波導模式編碼高維光量子芯片及多自由度復用光量子芯片研究鋪平了道路。

  中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授、浙江大學光電科學與工程學院/現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點實驗室特任副研究員馮蘭天和浙江大學助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院等資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.060501