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集成光量子技術

北京大學物理學院現(xiàn)代光學所王劍威研究員與意大利羅馬大學Fabio Sciarrino教授、英國布里斯托爾大學Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在國際著名刊物《自然-光子學》（Nature Photonics）上撰寫綜述文章，介紹“集成光量子技術”這一新興領域的基本科學原理和前沿進展。量子技術利用量子物理基本原理，通過操控光或物質的量子疊加和量子糾纏等內稟屬性，其信息處理能力有望從根本上超越經(jīng)典范疇的信息技術。集成光量子芯片技術是一門結合了量子物理、量子信息、集成光子學和微納制造等學科的前沿交叉技術，通過半導體微納加工制造，有望實現(xiàn)高性能且大規(guī)模集成的光量子器件和系統(tǒng)，達到對作為量子信息載體的單光子進行高效處理、計算和傳輸?shù)裙δ堋?國內外對集成光量子芯片技術的研究取得許多重要進展 2008年，國際上首次實現(xiàn)了基于二氧化硅平面光波導體系的量子受控糾纏門和量子干涉，開創(chuàng)了集成光量子芯片領域的先河。在過去十年間，國內外對集成光量子芯片技術的研究,取得了許多重要進展，目前已實現(xiàn)了片上光量子態(tài)的制備、量子操控以及單光子探測等核心功能，并且器件集成度和功能復雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結了集成光量子芯片的主流材料體系、核心量子光學元器件，及其量子信息的前沿應用，包括量子密鑰分發(fā)和通信、物理和化學系統(tǒng)的量子模擬、量子玻色取樣、光量子信息處理和計算等。集成光量子芯片的材料體系目前主要采用硅基絕緣體上、鈮酸鋰、激光直寫二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化銦等光波導材料。核心器件主要包括集成單光子源與糾纏光子源、可編程大規(guī)模集成光路、集成單光子探測器等，其中量子光源主要有非線性參量型量子光源和固態(tài)量子點型量子光源，而單光子探測主要通過超導納米線探測和過度邊緣感應傳感來實現(xiàn)。這些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。與此同時，集成光芯片平臺上也已經(jīng)逐漸發(fā)展出一套可以將量子信息精確加載在單光子的路徑、偏振、時間、空間、頻率等不同自由度的方法，為該技術的發(fā)展提供了廣闊的便利性和多樣化。集成光電子器件在經(jīng)典通信系統(tǒng)中一直起著舉足輕重的作用，可以預期其也將在量子密鑰分發(fā)和量子通信中起到重要作用，特別是微小型、低成本、高性能的量子通信收發(fā)芯片的發(fā)展，將有助于進一步降低成本、提高可靠性，推進其實用化進程。目前，量子通信的幾種主要協(xié)議，包括制備-測量類的通信協(xié)議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態(tài)類的協(xié)議等，已先后在硅基、磷化銦、氮化硅等光子芯片上得到實驗驗證。另外，全集成型量子真隨機數(shù)發(fā)生器也有很多實驗實現(xiàn)，并有望在不遠的將來提供微小型、高速和低成本的真隨機數(shù)發(fā)生器。量子線路模型和基于測量的單向量子計算模型是實現(xiàn)通用量子計算的主流模型。光學量子計算的線路模型實現(xiàn)方案存在擴展性困難，但基于測量的光量子計算可以大大降低需要的物理資源，并可實現(xiàn)通用量子計算。在可編程的光量子芯片平臺上，目前已成功實驗驗證了Shor因數(shù)分解算法、Grover搜尋算法、優(yōu)化算法等重要算法，并可在單一芯片實現(xiàn)多種復雜量子信息處理功能。近年來，片上制備并操控復雜量子態(tài)，包括高維量子態(tài)、多光子糾纏態(tài)、圖糾纏態(tài)等，均已在硅基和二氧化硅等平臺實現(xiàn)。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩(wěn)定性、高保真度，為通用量子計算的實現(xiàn)提供了基礎。量子玻色取樣和量子模擬被認為是量子計算的短期實現(xiàn)目標和重要應用方向。觸發(fā)型玻色取樣和基于量子點光源的玻色取樣，被認為是實現(xiàn)具備“量子優(yōu)勢”的玻色取樣量子計算的有效技術方案，有望超越經(jīng)典計算機計算能力，其中前者已實現(xiàn)芯片上量子光源和線性網(wǎng)絡的全集成，而后者最近在中科大發(fā)布的一個論文預印本中報道了20光子60模式玻色取樣的重要突破。集成光量子芯片體系已實驗驗證了離散型和連續(xù)型的量子漫步功能，并可用于模擬復雜的物理和生物過程。同時，集成光量子模擬器也成功驗證了多種典型的量子模擬算法，有望有效地模擬化學分子動力學過程。

北京大學 2021-04-11

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