量子糾纏是一種違反經典物理常識的量子現象，是量子通信和量子計算的重要物理資源，其中高維量子糾纏在多種量子信息任務中具有獨特的優勢。近日，南京大學物理學院馬小松教授團隊在Nature合作期刊npj Quantum Information上報道了他們的最新研究結果《Three-dimensional entanglement on a silicon chip》，該團隊在硅基集成光量子芯片上實現了高維糾纏態的產生，濾波，調控等多項功能，並且利用精度的片上量子調控完成了量子模擬與量子精密測量等應用任務。
圖釋：a.三維量子糾纏芯片；b.光學顯微鏡圖；c.實驗設備示意圖。
量子糾纏是量子系統所特有的奇異性質，它於1935年由薛定諤給予定義。量子系統的糾纏類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（維度> 2）由於其獨特的性質而引起了人們的極大興趣。隨著量子系統的維度增加，相對於常用的二維量子系統，高維量子系統具有強並行計算能力、高信息容量以及強抗噪聲能力等優勢。光子作為量子信息的載體具有相干性好、多自由度、易調控等優點，是實現高維糾纏的理想體系。然而，如何高效的製備高維糾纏光子對並對其進行高精度、可編程的任意相干調控，是量子信息技術走向規模應用的一大挑戰。馬小松教授團隊利用集成光學芯片的微納加工，藉助硅的三階非線性，採用優化設計的干涉型微環諧振腔，通過對芯片上光子的路徑模式進行編碼，實現芯片上的三維光量子態的產生，濾波，調控等多項功能，形成有源集成光量子芯片（見上圖）。通過硅波導中自發四波混頻效應及對線性光路的高穩定、可重構相干調控，團隊實現了提取效率高於97%、無需濾波後處理、對泵浦光子高抑制的雙光子源；得到了片上量子干涉可見度高於96.5%，三維最大糾纏態的保真度達到95.5%。基於這個高質量的三維糾纏態，團隊實驗完成了對三維貝爾不等式的驗證與無相容性漏洞的量子互文性檢驗。在量子模擬方面，通過對三維糾纏量子態的操控，團隊在全球首次實現了利用量子光學器件模擬圖論，特別是通過量子態的相干性的測量直接獲得圖的完美匹配數。在信息複雜度理論中，獲得圖的完美匹配數是屬於#P完全（#P-complete）複雜度。這就意味著利用已知的經典算法無法有效解決這個問題。這個工作首次驗證圖的量子模擬實驗的可行性，邁出了利用量子光學器件解決#P完全問題的第一步。在量子精密測量方面，申請人團隊還利用量子光學芯片演示了高精度相位測量，突破了經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勢。該研究為多體高維量子糾纏體系的片上製備與量子調控技術的應用提供了重要基礎。
該成果發表在Nature合作期刊npj Quantum Information上，南京大學物理學院研究員陸亮亮、碩士生夏黎君、碩士生陳志宇為文章共同第一作者，南京大學陳雷震同學、餘同樺同學、陶滔同學、馬文超同學、中山大學蔡鑫倫教授、潘穎同學對本文亦有重要貢獻。南京大學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卓越計劃和國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項基金項目的資助。此項研究工作得到南京大學固體微結構國家重點實驗室、物理學院和人工微結構科學與技術協同創新中心支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41534-020-0260-x
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