集成光芯片上波导模式编码量子逻辑门的实验实现

  近日，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士/任希锋教授团队、浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授团队在国际上首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作。该成果2022年2月11日以“Transverse Mode-Encoded Quantum Gate on a Silicon Photonic Chip”为题发表于Physical Review Letters。

  研究背景

  为了实现大规模光量子系统，多光子、多自由度和高维编码是必然途径。多模波导模式具有独特性质，如高维扩展性、紧凑性以及与其它自由度的任意相干转换等，这使得波导模式编码在集成光子学领域中有着广泛的前景。因此，近年来波导模式编码备受关注。

  中科大任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队2016年在国际上首次将波导模式编码用于量子信息处理，实现了波导模式、偏振和路径编码纠缠态之间的相干转换；并于2019年实现波导模式编码纠缠光源制备。但是作为光量子计算核心器件的两比特量子逻辑门尚未采用波导模式编码实现。

  研究创新点

  中科大任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队自主设计和研制了波导模式耦合器（TMDDC）、模式衰减器（MMA）等新型多模光子器件，分别用于实现特定的模式相关耦合和模式相关衰减等功能。

图1 波导模式耦合器（TMDDC）示意图

图2 模式衰减器（MMA）示意图

  该团队将这些新型光子功能器件单片集成，制备了波导模式编码的两比特量子受控非门，信息比特0和1分别编码在波导模式TE0和TE1上。为了验证量子逻辑门的功能，最为标准的方法是做量子过程层析，需要16*16个量子态制备和测量过程。他们利用波导模式自由度与路径自由度的相干转换，集成了片上路径编码量子态制备和探测模块，实现了量子逻辑门过程层析测量，实验得到的保真度为0.82±0.01。这个逻辑门可以用来制备波导模式纠缠态，得到4个Bell最大纠缠态的平均保真度为0.89±0.02。

图3 完整的波导模式编码量子逻辑门示意图

  总结与展望

  至此，全片上波导模式编码量子信息过程所需的全部基本操作均已经实现，为下一步波导模式编码高维光量子芯片及多自由度复用光量子芯片研究铺平了道路。

  中科院量子信息重点实验室任希锋教授、浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天和浙江大学助理研究员张明为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院等资助。

  论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.060501