多自由度光量子芯片呼之欲出

  任希鋒

  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

  前不久，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子芯片研究中取得的重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際首次實(shí)現(xiàn)了片上波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子邏輯門操作。

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

  波導(dǎo)模式引發(fā)科學(xué)界、業(yè)界諸多關(guān)注

  “波導(dǎo)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?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授任希鋒告訴記者，波導(dǎo)通常是用來(lái)定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。在光子芯片中，光場(chǎng)被束縛在光波導(dǎo)中，以特定的橫向電場(chǎng)分布，或者說(shuō)能量分布傳輸。根據(jù)波導(dǎo)尺寸、材料特性、光波波長(zhǎng)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)橫向分布特性稱為不同的波導(dǎo)模式?！比蜗ｄh說(shuō)，波導(dǎo)尺寸越大，支持的波導(dǎo)模式就越多。這些不同的波導(dǎo)模式按照電場(chǎng)分布特征進(jìn)行命名，通常被寫為TE0、TM0、TE1、TM1等?！爱?dāng)一根波導(dǎo)支持的波導(dǎo)模式為2個(gè)或以上時(shí)，我們就稱它為多模波導(dǎo)。”

  “如果我們把信息編碼在這些不同的波導(dǎo)模式上，例如TE0編碼信息比特0，TE1編碼信息比特1，這種方式就被稱為波導(dǎo)模式編碼?！比蜗ｄh告訴記者，由于波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)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(guó)際上首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)模式、偏振和路徑編碼糾纏態(tài)之間的相干轉(zhuǎn)換，證明波導(dǎo)模式編碼方式對(duì)量子信號(hào)也是可行的。他們的這項(xiàng)成果在《自然·通訊》上發(fā)表。

  “由于我們用來(lái)攜帶量子信號(hào)的載體是光子，所以要制備編碼在波導(dǎo)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(xiàng)工作中，他們成功地在硅光芯片上制備了波導(dǎo)模式編碼的量子糾纏源。這項(xiàng)研究成果也被發(fā)表在《npj量子信息》上。

  “正是因?yàn)橛辛饲捌诠ぷ鞯募夹g(shù)積累和儲(chǔ)備，我們的第三個(gè)工作是關(guān)于邏輯門的，而這項(xiàng)工作也非常具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性?！比蜗ｄh告訴記者，為了實(shí)現(xiàn)全片上波導(dǎo)模式編碼光學(xué)量子信息過(guò)程，他們需要實(shí)現(xiàn)兩比特量子受控非門操作，而這項(xiàng)操作是最重要的一個(gè)兩比特量子操作，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算不可或缺的邏輯門。

  “我們先以比較成熟的路徑編碼方式對(duì)量子受控非門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，積累了技術(shù)，也摸索了經(jīng)驗(yàn)?！比蜗ｄh表示，在這第三個(gè)工作中，他們構(gòu)建了世界上最小尺寸的光學(xué)量子受控非門，對(duì)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(xiàng)工作的成果也發(fā)表在了著名的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

  為波導(dǎo)模式編碼量子操作鋪平道路

  任希鋒告訴記者，要實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼量子邏輯門，需要一些對(duì)波導(dǎo)模式獨(dú)立調(diào)控的特殊操作。這里主要包含兩類，一類是實(shí)現(xiàn)兩根波導(dǎo)之間，不同波導(dǎo)模式光場(chǎng)的不同耦合強(qiáng)度；另外一類是實(shí)現(xiàn)不同波導(dǎo)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(tuán)隊(duì)合作，率先提出并成功研制了這兩款新穎的光子器件。”任希鋒說(shuō)，他們自主設(shè)計(jì)和研制的波導(dǎo)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(yīng)用在其它多模光信息處理中?！拔覀冋故镜牟▽?dǎo)模式編碼量子受控非門，再加上單比特旋轉(zhuǎn)，級(jí)聯(lián)后就可以實(shí)現(xiàn)各類量子操作，可為相應(yīng)研究領(lǐng)域提供最基本的工具。”

  波導(dǎo)模式作為可以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)模式編碼量子比特的單比特旋轉(zhuǎn)和兩比特量子受控非門操作，也就是說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行普適量子計(jì)算所需的所有基本操作。理論上，通過(guò)這兩類基本操作的大規(guī)模級(jí)聯(lián)，我們就能實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼的量子計(jì)算。”任希鋒也坦言，這當(dāng)中還有很長(zhǎng)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(zhuǎn)換，所以也為多自由度光量子芯片的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)?！比蜗ｄh表示。