日前，中國科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)任希鋒研究組與浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅團(tuán)隊(duì)合作，國際首次實(shí)現(xiàn)了片上波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子邏輯門操作，相關(guān)成果于2月11日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表。

經(jīng)典和量子信息應(yīng)用都需要大幅提高光子芯片的信息處理和通信能力，從而滿足日益增長的光通信和互聯(lián)的需求。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光量子系統(tǒng)，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。多模波導(dǎo)模式具有獨(dú)特性質(zhì)，如高維擴(kuò)展性、緊湊性以及與其它自由度的任意相干轉(zhuǎn)換等，這使得波導(dǎo)模式編碼在集成光子學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的前景。因此，近年來波導(dǎo)模式編碼備受關(guān)注。

任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)長期合作致力于硅基光量子器件及芯片研究并取得系列重要進(jìn)展：（1）國際上首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)模式、偏振和路徑編碼糾纏態(tài)之間的相干轉(zhuǎn)換（Nat Commun 7, 11985, 2016）；（2）首次實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼糾纏光源制備（npj Quantum Inf 5, 2, 2019）；（3）基于密集波導(dǎo)超晶格陣列構(gòu)建世界上最小尺寸的光學(xué)量子受控非門（Phys Rev Lett.126.130501 （2021））等。在此基礎(chǔ)上，雙方進(jìn)一步合作自主設(shè)計(jì)和研制了波導(dǎo)模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等兩種新型多模光子器件，分別用于實(shí)現(xiàn)特定的模式相關(guān)耦合和模式相關(guān)衰減等功能；并進(jìn)一步將這些新型光子功能器件單片集成，在國際上首次展示了波導(dǎo)模式編碼的兩比特受控非門控操作。

圖1. 光子波導(dǎo)模式編碼量子控制非門芯片示意圖

該成果為波導(dǎo)模式編碼量子操作鋪平了道路，也可用于片上多自由度光量子信息處理。審稿人一致認(rèn)為這是一個(gè)重要的研究工作，給出高度評(píng)價(jià)：“The two new components TMDDC and MMA invented here are important（新發(fā)明的兩種器件TMDDC和MMA很重要）”、“I believe that the work presented in this letter will provide essential tools in that field（我相信這個(gè)工作將在相應(yīng)研究領(lǐng)域中提供必要工具）”。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒教授、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員馮蘭天和浙江大學(xué)助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060501