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集成光量子技術

北京大學物理學院現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，有望實現高性能且大規模集成的光量子器件和系統，達到對作為量子信息載體的單光子進行高效處理、計算和傳輸等功能。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，目前已實現了片上光量子態的制備、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，包括量子密鑰分發和通信、物理和化學系統的量子模擬、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。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逐漸發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，為該技術的發展提供了廣闊的便利性和多樣化。集成光電子器件在經典通信系統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芯片的發展，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議，包括制備-測量類的通信協議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態類的協議等，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發生器也有很多實驗實現，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發生器。量子線路模型和基于測量的單向量子計算模型是實現通用量子計算的主流模型。光學量子計算的線路模型實現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因數分解算法、Grover搜尋算法、優化算法等重要算法，并可在單一芯片實現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，包括高維量子態、多光子糾纏態、圖糾纏態等，均已在硅基和二氧化硅等平臺實現。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩定性、高保真度，為通用量子計算的實現提供了基礎。量子玻色取樣和量子模擬被認為是量子計算的短期實現目標和重要應用方向。觸發型玻色取樣和基于量子點光源的玻色取樣，被認為是實現具備“量子優勢”的玻色取樣量子計算的有效技術方案，有望超越經典計算機計算能力，其中前者已實現芯片上量子光源和線性網絡的全集成，而后者最近在中科大發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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