中科大任希鋒教授:我們研製的量子光學晶片有什麼用

2020-12-04 觀察者網

日前，中科大首次研製成功矽基導膜量子集成晶片。任希鋒研究組近日在量子集成光學晶片研究上取得重要進展，他們和浙江大學光電學院現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授合作，在矽光子集成晶片上首次利用矽納米光波導本徵模式作為量子信息編碼的新維度，實現了單光子態和量子糾纏態在偏振、路徑、波導模式等不同自由度之間的相干轉換，其幹涉可見度均超過90%，為集成量子光學晶片上光子多個自由度的操縱和轉換提供了重要實驗依據。

矽基導模量子集成光學晶片到底是啥？具有什麼意義？帶著這些疑問，觀察者網採訪了中科大任希鋒教授，請任教授為大家答疑解惑。

上圖：偏振編碼，路徑編碼，波導模式編碼相干轉換示意圖。下圖：樣品照片

觀察者網：什麼是量子光學晶片？

任希鋒：量子光學晶片指的是在集成光學晶片（與傳統晶片不同，用光代替電子進行計算和存儲）中傳輸和操作量子信號。與自由空間光學、光纖光學相比，集成光學的器件及系統具有尺寸小、可擴展、功耗低、穩定性高等諸多優點，因而在經典光學和量子信息領域都受到了廣泛關注。

觀察者網：量子光學晶片可以應用於哪些領域？能用於量子計算機麼？

任希鋒：量子光學晶片可以應用於量子計算，量子模擬，量子通訊和量子計量等多個領域。由於目前量子糾纏光源的限制，目前量子光學晶片的研究主要是少數幾個量子比特的傳輸和操作，如果未來在量子單光子方面的進展順利，量子光學晶片有可能用來實現分布式的量子計算機。

觀察者網：您提出的採用多模波導的本徵模式作為編碼量子信息的新自由度相對於過去的做法有哪些革新？

任希鋒：在以往集成量子光學晶片研究中，人們通常採用偏振自由度或路逕自由度，即利用不同偏振或不同路徑來實現量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實現二維量子信息過程，無法實現高維編碼，因而在信息容量和安全性方面存在明顯不足；路徑編碼雖然可實現高維量子信息過程，但為了防止不同路徑信息之間的串擾，其路徑間距通常較大，極大地制約了量子光學晶片集成度的提升和功能擴展。

我們首次提出採用多模波導的本徵模式作為編碼量子信息的新自由度。利用一條支持多個波導模式的多模波導有望實現量子信息高維編碼。例如，對於寬度約2.4微米的SOI光波導，即可支持8個導模，對應於8維光子信息編碼。特別是這些模式之間相互正交，有效避免了信息串擾問題。與此同時，還可以在量子信息過程中同時利用光子的多個自由度，從而顯著提升信息容量。

觀察者網：能做到「偏振、路徑和波導模式自由度之間的任意相干轉換，單光子和雙光子的幹涉可見度均超過90%」的意義是什麼？能達到怎樣的效果？

任希鋒：能做到「偏振、路徑和波導模式自由度之間的任意相干轉換，單光子和雙光子的幹涉可見度均超過90%」，意味著我們在集成量子光學晶片中可以同時操縱多個自由度，製備多個自由度同時糾纏的量子超糾纏態，進一步提高信息容量和信息傳輸的安全性，為實現集成量子光學晶片中高維量子信息過程奠定了重要基礎。

觀察者網：您在研製矽基導模量子集成光學晶片的過程中遇到的最大困難和挑戰是什麼，又是怎麼克服困難的呢？

任希鋒：由於我們採用了一種全新的自由度，因此從實驗方案的設計，到樣品的加工，測試都是別人沒有做過的，都需要我們從頭摸索，這是我們面臨的最主要的困難。基於我們實驗室在量子信息領域深厚的研究基礎，以及合作者在矽基光學晶片方面豐富的加工經驗和完善的加工條件，我們逐一解決了實驗中所碰到的各種問題，如耦合效率，相位漂移，動態調控等。

觀察者網：量子光學晶片在未來可能有哪些用途？

任希鋒：正如前面所述，儘管量子光學在量子信息領域的研究中佔據著重要地位，但是隨著光路複雜程度的不斷提高，平臺光學在穩定性、可擴展性等方面已經不能滿足進一步研究的需要，發展遇到了瓶頸。而量子光學晶片有尺寸小、可擴展、功耗低、穩定性高等諸多優點，因而在經典光學和量子信息領域都受到了廣泛關注，在量子計算、量子通訊、量子模擬以及量子計量方面都具有潛在的應用價值。

觀察者網：最近中科大的技術成果很多，中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、李力等與中科院上海微系統與信息技術研究所和美國麻省理工學院的科研人員合作，利用線性光學系統，在20公裡的光纖線路中實現了量子指紋識別（Quantum Fingerprinting）。

能說說您對量子指紋識別技術的看法麼？

任希鋒：量子指紋識別我不是很熟悉，所以這方面的問題可能潘老師團隊理解的更全面和深刻一些。

觀察者網：日前，上海交通大學科研團隊在實驗室裡成功捕捉到了馬約拉納費米子，據說馬約拉納費米子在量子計算機領域頗有前景，您對此怎麼看？量子光學晶片能不能用於量子計算機？

任希鋒：馬約拉納費米子確實在量子計算機領域有著重要的用途，實際上我們實驗室另外一個研究小組也在從事相關的實驗研究。

量子光學晶片目前由於量子糾纏光源在光子數上的限制，主要還集中在量子方案的一些原理性驗證方面。但是，隨著量子單光子源方面的進展，未來量子光學晶片的研究必然會在量子計算機方面體現出優勢。

觀察者網：對於中國近年來在量子信息技術方面的成績，您如何評價？最近《自然》推出了中國科學家特輯，您怎麼看？

任希鋒：中國在量子信息技術方面做出了一系列國際前沿的研究成果，在量子信息研究的多個領域保持著國際最高的研究水準，特別是近年來，國家對這一領域加大投入，相信中國在量子信息領域的研究會繼續走在世界各個國家的前列。

《自然》推出中國科學家特輯，是中國科學家在國際上地位的一種體現，其實在之前《先進材料》，《納米快報》等一些國際一流期刊都推出過中國科學家特輯，這次《自然》的舉動更是說明相當一部分中國科學家的研究水平已經達到了國際一流。

（採訪：鐵流  微信公眾號：tieliu1988）

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