中国科大首次研制成功硅基导模量子集成芯片

日前，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学科学家合作，首次研制成功硅基导模量子集成芯片，实现单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过90%，为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供重要实验依据。研究成果6月20日发表在著名期刊《自然·通讯》上。

与自由空间光学、光纤光学相比，集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点。在过去集成量子光学芯片研究中，人们通常采用偏振自由度或路径自由度，即利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码。其中，偏振编码仅能实现二维量子信息过程，无法实现高维编码，因而在信息容量和安全性方面存在明显不足;路径编码虽然可实现高维量子信息过程，但为了防止不同路径信息之间的串扰，其路径间距通常较大，极大地制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。

任希锋研究组与合作者在硅光子集成芯片研制上，首次利用硅纳米光波导本征模式作为量子信息编码的新维度，利用一条支持多个波导模式的多模波导实现量子信息高维编码，有效避免了信息串扰问题，同时利用光子的多个自由度显著提升信息容量。他们还利用新型硅基片上模式转化器和模式复用器，成功实现偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%，充分展示了在集成量子光学芯片中同时操纵多个自由度的可能性，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定重要基础。