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2025年2月20日，北京大學物理學院現代光學研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組，與山西大學蘇曉龍教授課題組合作，在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上發表了一項突破性研究成果。該團隊在國際上首次實現了基於整合光量子晶片的連續變數簇態量子糾纏，為光量子晶片的大規模擴充套件及其在量子計算、量子網路和量子資訊等領域的應用奠定了重要基礎。研究團隊透過創新性地發展超低損耗的連續變數光量子晶片調控技術和多色相干泵浦與探測技術，成功在氮化矽整合頻率梳微環腔的真空壓縮頻率超模上確定性地製備出多位元糾纏簇態，並實現不同簇態糾纏結構的可重構調控。同時，團隊利用van Loock-Furusawa判據實驗違背和完備的nullifier關聯矩陣測量，對連續變數簇態的糾纏結構進行了嚴格實驗判定。這一研究成果不僅解決了以往整合光量子芯片面臨的擴充套件性難題，還為未來實現更大尺度的量子糾纏與量子調控提供了新的技術路徑。該成果標誌著整合光量子晶片技術在量子資訊處理領域的重要突破，為量子計算和量子網路的實用化發展提供了關鍵技術支撐。
量子資訊的基本單元是量子位元（qubit）或量子模式（qumode），二者可統稱為量子位元。它們可分別透過離散變數和連續變數編碼在光量子體系中實現，各具優缺點。例如，基於單光子的離散變數體系能夠實現超高保真度的量子位元操作，但其面臨的主要挑戰是製備量子位元和量子糾纏存在機率性。根據現有技術手段，離散變數量子糾纏的製備成功率隨位元數增加呈指數下降，這限制了其可擴充套件性。相比之下，基於光場正交分量編碼的連續變數體系能夠確定性產生量子位元和量子糾纏，儘管其操控保真度略低，卻為大尺度光量子糾纏態的製備提供了一條極具前景的技術路徑。
整合光量子晶片是一種能夠在微納尺度上編碼、處理、傳輸和儲存光量子資訊的先進平臺。自2008年國際上實現首個離散變數整合光量子晶片以來，整合光子晶片材料和技術取得了顯著進展，並在離散變數光量子資訊領域發揮了重要作用。然而，連續變數整合光量子晶片的發展面臨諸多挑戰：一方面，整合光學參量放大過程要求晶片具備高光學非線性和低光學損耗等高效能；另一方面，對片上多模壓縮光場與糾纏的機理理解不足，多模糾纏調控與驗證也存在技術瓶頸。這些因素導致連續變數光量子晶片的研究長期處於起步階段，其編碼與糾纏的位元數僅限於單模或雙模壓縮態，而多模（多位元）量子糾纏態的片上製備與驗證仍極具挑戰性。此前，光量子晶片上的簇態糾纏研究主要集中在離散變數體系，確定性地製備大規模糾纏簇態面臨巨大實驗困難，而連續變數簇態的片上製備和驗證技術在國際上仍屬空白。
在本研究中，北京大學與山西大學聯合團隊首次在國際上實現了基於整合光量子晶片的連續變數糾纏簇態的確定性製備、可重構調控與嚴格實驗驗證。這一突破性成果不僅填補了連續變數光量子晶片領域的關鍵技術空白，還為大規模量子糾纏態的製備與操控提供了全新的技術路徑，對推動量子計算、量子網路和量子模擬等領域的實用化發展具有非常重要的意義。
圖1 基於整合頻率梳微腔的連續變數糾纏簇態製備、調控與探測原理與方案圖
圖1A展示了連續變數光量子晶片製備糾纏簇態的原理圖。基於超低損耗氮化矽的整合頻率梳微環腔，研究團隊透過發展多色相干泵浦與探測技術，在光學參量振盪閾值以下激發真空壓縮頻率超模（即真空頻率模式的線性疊加），確定性地製備出多位元糾纏簇態。團隊採用多色相干泵浦方式，透過相位鎖定的光學頻率梳激發整合光學微腔中複雜的非線性效應，引入自發雙模光場壓縮和非線性布拉格散射兩種主要物理過程。由於布拉格散射效應的存在，多色泵浦激發的真空頻率模式之間形成了複雜的光場噪聲關聯，導致真空頻率模式無法直接用於構建糾纏簇態。實驗表明，簇態糾纏僅存在於頻率超模的本徵模式之間。這一結果透過實驗測量的協方差矩陣得到了驗證。同時，這也是利用三階非線性過程與二階非線性過程產生連續變數糾纏態的主要區別。圖1B 連續變數光量子晶片測試平臺、及其晶片實物圖與器件電鏡圖。圖1C展示了團隊發展的多色相干泵浦與探測技術。該技術不僅可用於大尺度簇態的泵浦激發，還可利用多色本地振盪光場實現完整的量子態測量與分析。此外，透過調控多色本地振盪光場，團隊能夠對量子光場進行等效的任意線性操作，從而製備出具有不同糾纏結構的簇態。更重要的是，整個泵浦-操控-探測系統保持了相干性和全域性相位的鎖定，確保了糾纏簇態的高質量製備、調控與驗證。
圖2 不同糾纏結構的連續變數簇態實驗結果：（A）Nullifier；(B) 不同糾纏結構簇態；（C）van Loock-Furusawa判據實驗結果；（D）100MHz寬頻糾纏判定
團隊透過對整合微梳中非線性物理過程與連續變數糾纏機理的實驗分析，結合所發展的相干泵浦-探測技術，在5~500 MHz頻率邊帶範圍內完成了光場噪聲關聯的完整測量與分析，並實驗重構了多模糾纏態的協方差矩陣。利用部分轉置判據，團隊驗證了八個頻率模式的糾纏不可分性。在此基礎上，透過精準調控多色本地振盪光對量子光場進行等效操作，團隊成功製備出了四模鏈狀、盒狀、星狀以及六模鏈狀的多組分簇態糾纏（圖2B），並在整合光量子晶片上觀測到了近2 dB的nullifier壓縮（圖2A）。更重要的是，團隊在實驗中直接打破了上述不同糾纏結構簇態的van Loock-Furusawa判據（圖2C），首次在有限壓縮條件下實現了光晶片上糾纏簇態的成功製備。此外，團隊還研究了不同糾纏結構簇態在不同頻率邊帶的糾纏性質，發現在約100 MHz的邊帶頻寬內，van Loock-Furusawa判據均被實驗直接打破，進一步證明了連續變數光量子晶片在量子資訊領域的巨大應用潛力。
連續變數簇態具有嚴格的定義，其成功製備需要經過嚴格實驗驗證。由於van Loock-Furusawa判據主要側重於對nullifier的壓縮排行分析，隨著從雙模糾纏到多模糾纏的轉變，量子糾纏的結構複雜性發生了重大變化，僅僅依賴該判據無法全面解析所製備簇態的全部糾纏資訊。為了嚴格證明並確定連續變數糾纏簇態的成功製備，尤其是在非線性過程複雜的整合微梳量子糾纏系統中，團隊進一步對nullifier的噪聲關聯矩陣進行了全面的測量與分析。在早期實驗中，團隊僅透過線性操控量子光場的資料分析發現，nullifier之間存在顯著的額外非對角噪聲關聯。這表明量子光場的糾纏資訊並未完全包含在nullifier內，與簇態糾纏的對角噪聲關聯結構不符。透過對簇態製備過程對應代數結構的深入分析，團隊提出了一種創新方法：透過同時精確調控泵浦條件（包括功率和失諧量）以及量子光場的線性操控，成功消除了簇態糾纏製備過程中nullifier的額外非對角噪聲關聯。最終，團隊顯著降低了不同簇態糾纏nullifier之間的非對角噪聲關聯（圖3B：理論模擬，圖3C：實驗結果）。這一成果不僅嚴格證明了連續變數簇態的成功製備，還實現了對不同簇態糾纏結構的精確測量，為複雜量子糾纏態的製備與驗證提供了新的方法。
值得一提的是，當前糾纏模式數目的限制主要來自整合微腔的尺度（即頻率間隔）和多色泵浦光的數目。團隊已成功解決了基礎的科學問題，為未來實現更大規模簇態糾纏及其在量子資訊處理中的應用奠定了重要的物理基礎。面向大規模擴充套件主要依賴於工程技術的最佳化，例如，透過先進晶片加工技術製備更大尺度的微腔，以及利用相位鎖定的光學頻率梳進行激發等工程手段，可以顯著提升糾纏態的規模和複雜度。
2024年4月，團隊將研究成果投稿至《自然》，獲得了審稿人的高度評價，並指出：“這項工作首次在光學晶片上實現連續變數多組分（多位元）量子糾纏，這一成果為可擴充套件量子資訊處理奠定了重要里程碑”（This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。
圖3 不同糾纏結構的連續變數簇態實驗結果：nullifier非對角噪聲關聯矩陣
北京大學物理學院2020級博士研究生賈新宇、2021級博士研究生翟翀昊、山西大學2021級博士生朱學志為文章共同第一作者。山西大學蘇曉龍教授、北京大學王劍威教授為共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學電子學院常林研究員，北京大學龔旗煌教授，北京大學物理學院博士研究生遊暢、傅兆瑢、茆峻、戴天祥（現為香港大學博士後），北京大學物理學院國家博新博士後鄭贇，以及北京大學電子學院、山西大學的合作者。
本項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技創新2030 “量子通訊與量子計算機”重大專案、北京市自然科學基金、山西省基礎研究計劃、山西省“1331工程”重點學科建設基金，以及北京大學人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、北京量子資訊科學研究院、山西大學光量子技術與器件全國重點實驗室、山西大學極端光學協同創新中心、北京大學納光電子前沿科學中心、北京大學長三角光電科學研究院、合肥量子國家實驗室等的大力支援。
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