中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授郭光燦領(lǐng)導的中科院量子信息重點實驗室首次研制成功硅基導膜量子集成芯片。該實驗室任希鋒研究組近日在量子集成光學芯片研究中取得新進展，他們和浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室教授戴道鋅合作，在硅光子集成芯片上首次利用硅納米光波導本征模式作為量子信息編碼的新維度，實現(xiàn)了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導模式等不同自由度之間的相干轉(zhuǎn)換，其干涉可見度均超過90%，為集成量子光學芯片上光子多個自由度的操縱和轉(zhuǎn)換提供了重要實驗依據(jù)。相關(guān)成果于6月20日發(fā)表在《自然·通訊》上[Nature Communications 7, Article Number 11985(2016)]。論文并列第一作者是中國科大博士生馮蘭天、博士后周志遠和浙江大學博士生張明。

　　與自由空間光學、光纖光學相比，集成光學的器件及系統(tǒng)具有尺寸小、可擴展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，因而在經(jīng)典光學和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。在以往集成量子光學芯片研究中，人們通常采用偏振自由度或路徑自由度，即利用不同偏振或不同路徑來實現(xiàn)量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實現(xiàn)二維量子信息過程，無法實現(xiàn)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(xiàn)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芯片集成度的提升和功能擴展。

　　任希鋒研究組和合作者首次提出采用多模波導的本征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(xiàn)量子信息高維編碼。例如，對于寬度約2.4微米的SOI光波導，即可支持8個導模，對應于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。研究人員利用新型硅基片上模式轉(zhuǎn)化器和模式復用器，成功實現(xiàn)了偏振、路徑和波導模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換，單光子和雙光子的干涉可見度均超過90%，充分展示了在集成量子光學芯片中同時操縱多個自由度的可能性，為實現(xiàn)集成量子光學芯片中高維量子信息過程奠定了重要基礎。

　　該項研究得到了國家自然科學基金委、中科院、科技部、教育部以及中國科大、浙江大學的資助。