中國(guó)科大首次研制成功硅基導(dǎo)模量子集成光學(xué)芯片

　　ICCSZ訊    中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次研制成功硅基導(dǎo)膜量子集成芯片。該實(shí)驗(yàn)室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(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)本征模式作為量子信息編碼的新維度，實(shí)現(xiàn)了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導(dǎo)模式等不同自由度之間的相干轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相關(guān)成果以“On- chip coherent conversion of photonic quantum entanglement between different degrees of freedom” 為題6月20日發(fā)表在《自然•通訊》上[Nature Communications 7, Article Number 11985(2016)]。

　　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(tǒng)具有尺寸小、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)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(xiàn)量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實(shí)現(xiàn)二維量子信息過(guò)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(xiàn)高維量子信息過(guò)程，但為了防止不同路徑信息之間的串?dāng)_，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(kuò)展。

　　上圖：偏振編碼，路徑編碼，波導(dǎo)模式編碼相干轉(zhuǎn)換示意圖。下圖：樣品照片

　　任希鋒研究組和合作者首次提出采用多模波導(dǎo)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(dǎo)模式的多模波導(dǎo)有望實(shí)現(xiàn)量子信息高維編碼。例如，對(duì)于寬度約2.4微米的SOI光波導(dǎo)，即可支持8個(gè)導(dǎo)模，對(duì)應(yīng)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?dāng)_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，從而顯著提升信息容量。任希鋒研究組和合作者利用新型硅基片上模式轉(zhuǎn)化器和模式復(fù)用器，成功實(shí)現(xiàn)了偏振、路徑和波導(dǎo)模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換，單光子和雙光子的干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%，充分展示了在集成量子光學(xué)芯片中同時(shí)操縱多個(gè)自由度的可能性，為實(shí)現(xiàn)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(chǔ)。同行評(píng)議給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為該工作展示了一種具有重要意義的技術(shù)手段(it represents a significant technical tools that...)，會(huì)引起廣泛的興趣(the result is interesting for the general audience...)”。

　　論文并列第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生馮蘭天、浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生張明和中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后周志遠(yuǎn)。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家基金委、中科院、科技部、教育部、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和浙江大學(xué)的資助。