南京大學(xué)馬小松團隊在硅基光量子芯片上實(shí)現三維糾纏

量子糾纏是量子系統所特有的奇異性質(zhì)，它于1935年由薛定諤給予定義。量子系統的糾纏類(lèi)型主要包括多體量子糾纏和多維量子糾纏。其中，高維糾纏態(tài)（維度> 2）由于其獨特的性質(zhì)而引起了人們的極大興趣。隨著(zhù)量子系統的維度增加，相對于常用的二維量子系統，高維量子系統具有強并行計算能力、高信息容量以及強抗噪聲能力等優(yōu)勢。光子作為量子信息的載體具有相干性好、多自由度、易調控等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現高維糾纏的理想體系。然而，如何高效的制備高維糾纏光子對并對其進(jìn)行高精度、可編程的任意相干調控，是量子信息技術(shù)走向規模應用的一大挑戰。

馬小松教授團隊利用集成光學(xué)芯片的微納加工，借助硅的三階非線(xiàn)性，采用優(yōu)化設計的干涉型微環(huán)諧振腔，通過(guò)對芯片上光子的路徑模式進(jìn)行編碼，實(shí)現芯片上的三維光量子態(tài)的產(chǎn)生，濾波，調控等多項功能，形成有源集成光量子芯片。通過(guò)硅波導中自發(fā)四波混頻效應及對線(xiàn)性光路的高穩定、可重構相干調控，團隊實(shí)現了提取效率高于97%、無(wú)需濾波后處理、對泵浦光子高抑制的雙光子源；得到了片上量子干涉可見(jiàn)度高于96.5%，三維最大糾纏態(tài)的保真度達到95.5%?；谶@個(gè)高質(zhì)量的三維糾纏態(tài)，團隊實(shí)驗完成了對三維貝爾不等式的驗證與無(wú)相容性漏洞的量子互文性檢驗。在量子模擬方面，通過(guò)對三維糾纏量子態(tài)的操控，團隊在全球首次實(shí)現了利用量子光學(xué)器件模擬圖論，特別是通過(guò)量子態(tài)的相干性的測量直接獲得圖的完美匹配數。在信息復雜度理論中，獲得圖的完美匹配數是屬于#P完全（#P-complete）復雜度。這就意味著(zhù)利用已知的經(jīng)典算法無(wú)法有效解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)工作首次驗證圖的量子模擬實(shí)驗的可行性，邁出了利用量子光學(xué)器件解決#P完全問(wèn)題的第一步。在量子精密測量方面，申請人團隊還利用量子光學(xué)芯片演示了高精度相位測量，突破了經(jīng)典干涉儀的測量精度的理論極限，體現了高維量子糾纏的優(yōu)勢。該研究為多體高維量子糾纏體系的片上制備與量子調控技術(shù)的應用提供了重要基礎。

該成果發(fā)表在Nature合作期刊npj Quantum Information上，南京大學(xué)物理學(xué)院研究員陸亮亮、碩士生夏黎君、碩士生陳志宇為文章共同第一作者，南京大學(xué)陳雷震同學(xué)、余同樺同學(xué)、陶滔同學(xué)、馬文超同學(xué)、中山大學(xué)蔡鑫倫教授、潘穎同學(xué)對本文亦有重要貢獻。南京大學(xué)馬小松教授為論文的通訊作者。祝世寧院士、陸延青教授給予深入指導。該項研究得到南京大學(xué)卓越計劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項基金項目的資助。此項研究工作得到南京大學(xué)固體微結構國家重點(diǎn)實(shí)驗室、物理學(xué)院和人工微結構科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新中心支持。