北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心王劍威研究員、何瓊毅研究員和龔旗煌院士等與中國科學院微電子研究所、首都師范大學和奧地利科學院合作在光量子芯片上多路徑波粒二象性研究中取得重要科學進展。他們實現(xiàn)了一款大規(guī)模集成的可編程硅基光量子芯片，在量子延遲選擇實驗框架下，將波粒二象性的互補性關系推廣至多路復雜量子體系。

波粒二象性是量子力學的一個核心概念，有關實驗研究往往集中于楊氏雙縫或馬赫-曾德爾雙路徑干涉系統(tǒng)。在復雜多縫或多路徑量子體系中，粒子的波粒二象性是否依舊遵循互補性關系、是否存在普適化準則，以及如何有效刻畫多模式量子相干性等，迄今未被實驗揭示和驗證。

北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心極端光學創(chuàng)新研究團隊與合作者發(fā)展了大規(guī)模硅基集成的可重構光量子芯片技術，近期研制了一款可惠勒延遲選擇測量裝置的多路徑馬赫-曾德爾干涉儀。該芯片單片集成350多個光子元器件和近100個可調(diào)相移器，是目前規(guī)模最大的光量子芯片之一（見下圖）。利用該芯片，聯(lián)合研究團隊開發(fā)了量子糾纏片上產(chǎn)生、量子受控型d模式普適化分束器、d模式普適化馬赫-曾德爾干涉儀以及量子態(tài)重構等功能器件和模塊。他們驗證了多路徑干涉體系中的玻恩準則，測得-0.0031 ±0.0047的Sorki參數(shù)，與已發(fā)表文獻中最精確測量的結果齊平，排除了高階干涉的存在。通過相干糾纏量子態(tài)和量子過程，實現(xiàn)了一種量子受控的d模式分束器，其狀態(tài)決定了d模式觀測儀器的狀態(tài)，從而可在惠勒延遲選擇條件下觀測粒子的多路徑波粒二象性。圖中分別為單光子在2、4和8-路徑干涉儀所觀測到的粒子性和波動性分布圖，表明在多路徑量子體系中存在更豐富的多模式量子化特性和多路徑量子相干性。通過測量多模式粒子性D和多路徑量子相干性C，首次在多路徑量子體系中驗證了普適化玻爾不等式C2+D2≤1。此外，他們還展示了對高維量子相干性的直接探測和高維隨機數(shù)的產(chǎn)生。這項研究有助于更深入地理解復雜高維量子體系的基礎物理特性，發(fā)展大規(guī)模集成光量子芯片調(diào)控技術有望推動高維量子信息技術進一步發(fā)展。

A.大規(guī)模集成的可編程硅基光量子芯片線路示意圖和芯片實物圖；B-G.片上延遲實驗條件下觀測到的多路徑波動性和粒子性轉化分布，可看出實驗結果和理論分析高度一致（F值）；H-M.多路徑量子體系中普適化玻爾不等式的實驗驗證

5月7日，相關研究成果以“A generalised multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip（基于大規(guī)模集成光量子芯片的多路徑普適化波粒二象性研究）”為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications12, 2712 (2021)）。北京大學物理學院2018級博士生陳曉炯、2017級本科生鄧曜昊、2018級博士生劉殊恒為共同第一作者，王劍威、何瓊毅、龔旗煌和中國科學院微電子研究所楊妍研究員為共同通訊作者，首都師范大學費少明教授、中國科學院微電子研究所李志華研究員和奧地利科學院量子光學與量子信息研究所Marcus Huber教授亦參與研究工作。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃等支持。

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