多自由度光量子芯片呼之欲出

  任希鋒

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

  前不久，國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在光量子芯片研究中取得的重要進(jìn)展：該團隊任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團隊合作，在國際首次實(shí)現了片上波導模式編碼的兩比特量子邏輯門(mén)操作。

  這一研究成果的實(shí)現，不僅為多自由度光量子芯片的實(shí)現奠定了基礎，也意味著(zhù)能夠實(shí)現進(jìn)行波導模式編碼普適量子計算所需的所有基本操作。如此“不明覺(jué)厲”的科研成果意味著(zhù)什么？

  波導模式引發(fā)科學(xué)界、業(yè)界諸多關(guān)注

  “波導模式編碼可以從0編碼到無(wú)窮，因而能夠用于高維編碼過(guò)程?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授任希鋒告訴記者，波導通常是用來(lái)定向引導電磁波的結構。在光子芯片中，光場(chǎng)被束縛在光波導中，以特定的橫向電場(chǎng)分布，或者說(shuō)能量分布傳輸。根據波導尺寸、材料特性、光波波長(cháng)等因素，光會(huì )有不同的橫向電場(chǎng)分布。

  “我們把這些不同的電場(chǎng)橫向分布特性稱(chēng)為不同的波導模式?！比蜗ｄh說(shuō)，波導尺寸越大，支持的波導模式就越多。這些不同的波導模式按照電場(chǎng)分布特征進(jìn)行命名，通常被寫(xiě)為T(mén)E0、TM0、TE1、TM1等?！爱斠桓▽еС值牟▽Ｊ綖?個(gè)或以上時(shí)，我們就稱(chēng)它為多模波導?！?

  “如果我們把信息編碼在這些不同的波導模式上，例如TE0編碼信息比特0，TE1編碼信息比特1，這種方式就被稱(chēng)為波導模式編碼?！比蜗ｄh告訴記者，由于波導模式理論上可以有很多，所以編碼的信息維度就超過(guò)0和1這種二維編碼方式，可以從0編碼到無(wú)窮，因而能夠用于高維編碼過(guò)程。

  也正是由于波導模式可以用來(lái)編碼高維信息，提高通信的信道容量，所以在經(jīng)典片上光通訊中，其引起科學(xué)界和業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注。

  首次將波導模式編碼用于量子信息處理

  “我們的合作者，戴道鋅教授及團隊在此方面做了很多有影響力的工作?！比蜗ｄh說(shuō)，在他們之間合作的第一個(gè)工作中，就在國際上首次將波導模式編碼用于量子信息處理，實(shí)現了波導模式、偏振和路徑編碼糾纏態(tài)之間的相干轉換，證明波導模式編碼方式對量子信號也是可行的。他們的這項成果在《自然·通訊》上發(fā)表。

  “由于我們用來(lái)攜帶量子信號的載體是光子，所以要制備編碼在波導模式上的量子光源，便是我們第二個(gè)工作?！比蜗ｄh說(shuō)，在這項工作中，他們成功地在硅光芯片上制備了波導模式編碼的量子糾纏源。這項研究成果也被發(fā)表在《npj量子信息》上。

  “正是因為有了前期工作的技術(shù)積累和儲備，我們的第三個(gè)工作是關(guān)于邏輯門(mén)的，而這項工作也非常具有創(chuàng )新性和挑戰性?！比蜗ｄh告訴記者，為了實(shí)現全片上波導模式編碼光學(xué)量子信息過(guò)程，他們需要實(shí)現兩比特量子受控非門(mén)操作，而這項操作是最重要的一個(gè)兩比特量子操作，是實(shí)現量子計算不可或缺的邏輯門(mén)。

  “我們先以比較成熟的路徑編碼方式對量子受控非門(mén)進(jìn)行了實(shí)驗實(shí)現，積累了技術(shù)，也摸索了經(jīng)驗?！比蜗ｄh表示，在這第三個(gè)工作中，他們構建了世界上最小尺寸的光學(xué)量子受控非門(mén)，對路徑編碼量子信息過(guò)程也是一個(gè)很大的促進(jìn)。而這項工作的成果也發(fā)表在了著(zhù)名的《物理評論快報》上。

  為波導模式編碼量子操作鋪平道路

  任希鋒告訴記者，要實(shí)現波導模式編碼量子邏輯門(mén)，需要一些對波導模式獨立調控的特殊操作。這里主要包含兩類(lèi)，一類(lèi)是實(shí)現兩根波導之間，不同波導模式光場(chǎng)的不同耦合強度；另外一類(lèi)是實(shí)現不同波導模式光場(chǎng)不同的能量衰減比例。

  “這些器件都是以前沒(méi)有的。我們和戴道鋅教授團隊合作，率先提出并成功研制了這兩款新穎的光子器件?！比蜗ｄh說(shuō)，他們自主設計和研制的波導模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）兩種新型多模光子器件可以作為基本器件，應用在其它多模光信息處理中?！拔覀冋故镜牟▽Ｊ骄幋a量子受控非門(mén)，再加上單比特旋轉，級聯(lián)后就可以實(shí)現各類(lèi)量子操作，可為相應研究領(lǐng)域提供最基本的工具?！?

  波導模式作為可以實(shí)現高維的信息編碼技術(shù)，其高維信息過(guò)程可以帶來(lái)更大的信道容量、更高保真度的量子操作以及更魯棒的量子信息傳輸，因此越來(lái)越受到關(guān)注?！拔覀円呀?jīng)在芯片上完成了波導模式編碼量子比特的單比特旋轉和兩比特量子受控非門(mén)操作，也就是說(shuō)，實(shí)現了進(jìn)行普適量子計算所需的所有基本操作。理論上，通過(guò)這兩類(lèi)基本操作的大規模級聯(lián)，我們就能實(shí)現波導模式編碼的量子計算?！比蜗ｄh也坦言，這當中還有很長(cháng)的路要走。

  “另外，我們也證明這種編碼方式和原有的路徑編碼、偏振編碼是不沖突的，可以任意相干轉換，所以也為多自由度光量子芯片的實(shí)現奠定了基礎?！比蜗ｄh表示。