中科大任希鋒教授：我們研制的量子光學(xué)芯片有什么用

　　ICCSZ訊    日前，中科大首次研制成功硅基導膜量子集成芯片。任希鋒研究組近日在量子集成光學(xué)芯片研究上取得重要進(jìn)展，他們和浙江大學(xué)光電學(xué)院現代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室戴道鋅教授合作，在硅光子集成芯片上首次利用硅納米光波導本征模式作為量子信息編碼的新維度，實(shí)現了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導模式等不同自由度之間的相干轉換，其干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%，為集成量子光學(xué)芯片上光子多個(gè)自由度的操縱和轉換提供了重要實(shí)驗依據。

　　硅基導模量子集成光學(xué)芯片到底是啥?具有什么意義?帶著(zhù)這些疑問(wèn)，記者采訪(fǎng)了中科大任希鋒教授，請任教授為大家答疑解惑?！　?/p>

　　上圖：偏振編碼，路徑編碼，波導模式編碼相干轉換示意圖。下圖：樣品照片

　　Q：什么是量子光學(xué)芯片?

　　任希鋒：量子光學(xué)芯片指的是在集成光學(xué)芯片(與傳統芯片不同，用光代替電子進(jìn)行計算和存儲)中傳輸和操作量子信號。與自由空間光學(xué)、光纖光學(xué)相比，集成光學(xué)的器件及系統具有尺寸小、可擴展、功耗低、穩定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。

　　Q：量子光學(xué)芯片可以應用于哪些領(lǐng)域?能用于量子計算機么?

　　任希鋒：量子光學(xué)芯片可以應用于量子計算，量子模擬，量子通訊和量子計量等多個(gè)領(lǐng)域。由于目前量子糾纏光源的限制，目前量子光學(xué)芯片的研究主要是少數幾個(gè)量子比特的傳輸和操作，如果未來(lái)在量子單光子方面的進(jìn)展順利，量子光學(xué)芯片有可能用來(lái)實(shí)現分布式的量子計算機。

　　Q：您提出的采用多模波導的本征模式作為編碼量子信息的新自由度相對于過(guò)去的做法有哪些革新?

　　任希鋒：在以往集成量子光學(xué)芯片研究中，人們通常采用偏振自由度或路徑自由度，即利用不同偏振或不同路徑來(lái)實(shí)現量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實(shí)現二維量子信息過(guò)程，無(wú)法實(shí)現高維編碼，因而在信息容量和安全性方面存在明顯不足;路徑編碼雖然可實(shí)現高維量子信息過(guò)程，但為了防止不同路徑信息之間的串擾，其路徑間距通常較大，極大地制約了量子光學(xué)芯片集成度的提升和功能擴展。

　　我們首次提出采用多模波導的本征模式作為編碼量子信息的新自由度。利用一條支持多個(gè)波導模式的多模波導有望實(shí)現量子信息高維編碼。例如，對于寬度約2.4微米的SOI光波導，即可支持8個(gè)導模，對應于8維光子信息編碼。特別是這些模式之間相互正交，有效避免了信息串擾問(wèn)題。與此同時(shí)，還可以在量子信息過(guò)程中同時(shí)利用光子的多個(gè)自由度，從而顯著(zhù)提升信息容量。

　　Q：能做到“偏振、路徑和波導模式自由度之間的任意相干轉換，單光子和雙光子的干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%”的意義是什么?能達到怎樣的效果?

　　任希鋒：能做到“偏振、路徑和波導模式自由度之間的任意相干轉換，單光子和雙光子的干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%”，意味著(zhù)我們在集成量子光學(xué)芯片中可以同時(shí)操縱多個(gè)自由度，制備多個(gè)自由度同時(shí)糾纏的量子超糾纏態(tài)，進(jìn)一步提高信息容量和信息傳輸的安全性，為實(shí)現集成量子光學(xué)芯片中高維量子信息過(guò)程奠定了重要基礎。

　　Q：您在研制硅基導模量子集成光學(xué)芯片的過(guò)程中遇到的最大困難和挑戰是什么，又是怎么克服困難的呢?

　　任希鋒：由于我們采用了一種全新的自由度，因此從實(shí)驗方案的設計，到樣品的加工，測試都是別人沒(méi)有做過(guò)的，都需要我們從頭摸索，這是我們面臨的最主要的困難?；谖覀儗?shí)驗室在量子信息領(lǐng)域深厚的研究基礎，以及合作者在硅基光學(xué)芯片方面豐富的加工經(jīng)驗和完善的加工條件，我們逐一解決了實(shí)驗中所碰到的各種問(wèn)題，如耦合效率，相位漂移，動(dòng)態(tài)調控等。

　　Q：量子光學(xué)芯片在未來(lái)可能有哪些用途?

　　任希鋒：正如前面所述，盡管量子光學(xué)在量子信息領(lǐng)域的研究中占據著(zhù)重要地位，但是隨著(zhù)光路復雜程度的不斷提高，平臺光學(xué)在穩定性、可擴展性等方面已經(jīng)不能滿(mǎn)足進(jìn)一步研究的需要，發(fā)展遇到了瓶頸。而量子光學(xué)芯片有尺寸小、可擴展、功耗低、穩定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注，在量子計算、量子通訊、量子模擬以及量子計量方面都具有潛在的應用價(jià)值。

　　Q：最近中科大的技術(shù)成果很多，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強、李力等與中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所和美國麻省理工學(xué)院的科研人員合作，利用線(xiàn)性光學(xué)系統，在20公里的光纖線(xiàn)路中實(shí)現了量子指紋識別(Quantum Fingerprinting)。

　　能說(shuō)說(shuō)您對量子指紋識別技術(shù)的看法么?

　　任希鋒：量子指紋識別我不是很熟悉，所以這方面的問(wèn)題可能潘老師團隊理解的更全面和深刻一些。

　　Q：日前，上海交通大學(xué)科研團隊在實(shí)驗室里成功捕捉到了馬約拉納費米子，據說(shuō)馬約拉納費米子在量子計算機領(lǐng)域頗有前景，您對此怎么看?量子光學(xué)芯片能不能用于量子計算機?

　　任希鋒：馬約拉納費米子確實(shí)在量子計算機領(lǐng)域有著(zhù)重要的用途，實(shí)際上我們實(shí)驗室另外一個(gè)研究小組也在從事相關(guān)的實(shí)驗研究。

　　量子光學(xué)芯片目前由于量子糾纏光源在光子數上的限制，主要還集中在量子方案的一些原理性驗證方面。但是，隨著(zhù)量子單光子源方面的進(jìn)展，未來(lái)量子光學(xué)芯片的研究必然會(huì )在量子計算機方面體現出優(yōu)勢。

　　Q：對于中國近年來(lái)在量子信息技術(shù)方面的成績(jì)，您如何評價(jià)?最近《自然》推出了中國科學(xué)家特輯，您怎么看?

　　任希鋒：中國在量子信息技術(shù)方面做出了一系列國際前沿的研究成果，在量子信息研究的多個(gè)領(lǐng)域保持著(zhù)國際最高的研究水準，特別是近年來(lái)，國家對這一領(lǐng)域加大投入，相信中國在量子信息領(lǐng)域的研究會(huì )繼續走在世界各個(gè)國家的前列。

　　《自然》推出中國科學(xué)家特輯，是中國科學(xué)家在國際上地位的一種體現，其實(shí)在之前《先進(jìn)材料》，《納米快報》等一些國際一流期刊都推出過(guò)中國科學(xué)家特輯，這次《自然》的舉動(dòng)更是說(shuō)明相當一部分中國科學(xué)家的研究水平已經(jīng)達到了國際一流。