Nat.Photonics：北大——浙大實現首例整合渦旋光量子糾纏源

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近日，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團隊與浙江大學光電科學與工程學院戴道鋅教授等研究人員，實現了國際上首個基於整合光量子晶片的渦旋光量子糾纏源，並實現了任意雙渦旋糾纏態的片上量子調控。團隊透過發展光量子晶片調控與片外光場整形技術，搭建了片上光量子資訊處理與自由空間渦旋光傳輸之間的晶片-自由空間量子互動系統，兼具片上操控的靈活性與自由空間傳輸的魯棒性，為高維量子通訊、量子精密測量、片上離子與原子操控等開闢了新途徑。2025年2月28日，相關研究成果以“整合渦旋光量子糾纏源”（Integrated optical entangled
quantum vortex emitters）為題，發表於國際頂級期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）雜誌。

渦旋光場攜帶軌道角動量（OAM），是光場調控與光量子技術的重要資源。利用光子的軌道角動量進行量子資訊編碼，理論上具有無限維的編碼空間，且OAM編碼的量子態能夠在自由空間中穩定傳播，為大容量、實用化量子通訊提供了極具潛力的方案。此外，量子渦旋光場在量子精密測量、束縛離子與原子操控等領域也具有廣泛的應用前景。

然而，實現整合化、小型化的渦旋光場製備與操控一直是該領域的重大挑戰。傳統平面光學波導器件難以穩定支援渦旋光模式的束縛和傳輸。2012年，研究人員首次實現了基於光柵調製微環腔的整合OAM發射器【 Science 338, 363-366 (2012)，Nature Communications 5, 4856 (2014)】，此後國際上先後實現了整合OAM雷射源、整合OAM頻率梳光源以及整合OAM單光子源等重要突破。然而，由於渦旋光子的特殊性，如何在整合光量子晶片體系上實現OAM糾纏光源一直面臨實驗挑戰。這不僅需要解決片上OAM疊加態與糾纏態的束縛、傳輸與控制問題，還需要克服OAM糾纏產生非線性過程的相位匹配難題。

北京大學、浙江大學、中國科學院微電子所聯合團隊在2023年發展出了大規模整合光量子晶片製備與調控技術【Nature Photonics
17, 573(2023)】。同年，團隊提出並實現了基於光量子晶片與多模光纖互動的高維量子糾纏製備、轉化與晶片間傳輸【Science 381, 221 (2023)】，成功構建了多晶片間的高維量子糾纏網路，其核心思想是光量子晶片調控與片外光場整形。類似思想還曾用於北大團隊發展的路徑與偏振互動的晶片間量子隱形傳態系統【Nature Physics16, 148–153(2020)】。在本項工作中，研究團隊針對片上OAM糾纏能力長期缺失的技術瓶頸，創新地拓展了光量子晶片調控與片外光場整形技術，首次實現了片上量子糾纏態向自由空間的高保真輻射與渦旋光量子糾纏的穩定製備。這一原創性技術方案不僅成功解決了OAM疊加態與糾纏態在整合光量子晶片體系中的束縛、傳輸與控制難題，同時避免了OAM糾纏產生過程中相位匹配的關鍵難題，而且兼具量子糾纏片上操控的靈活性與自由空間傳輸的魯棒性。

研究團隊展示國際上首個基於整合光量子晶片的渦旋光量子糾纏源（圖1），並實現了任意雙渦旋五維OAM糾纏態的片上製備與量子調控。該渦旋光糾纏晶片包括兩個主要部分組成：可任意程式設計調控的五維路徑糾纏量子線路，以及路徑-OAM自由度相干轉換與圓形衍射光柵。透過羅蘭圓結構，團隊實現了路徑本徵模式與梯度相位分佈的對映，並利用圓形衍射光柵將光束整形為渦旋相位分佈，從而實現了路徑-OAM自由度的相干轉換與自由空間發射。這一設計使得路徑編碼的疊加態和糾纏態能夠高效且相干地轉化為OAM編碼的疊加態和糾纏態。

圖1. 基於整合光量子晶片的渦旋光量子糾纏源的顯微鏡圖（5毫米X 10毫米）。

研究團隊首先對晶片上的路徑-軌道角動量自由度轉換器件進行了高精度表徵，驗證了其高保真度的自由度轉換能力。透過離軸數字全息技術，團隊成功重構了輻射光場的相位分佈，並利用片上整合相位器對加工誤差進行了補償。實驗結果顯示，晶片出射光場的渦旋相位特性顯著，串擾矩陣的平均經典保真度達到0.97(2)。為了驗證晶片製備五維任意渦旋疊加態和糾纏態的效能，研究團隊進而分別進行了經典和量子表徵（圖2和圖3）。經典表徵透過紅外相機拍攝OAM 和 OAM 疊加態的空間模式分佈以及干涉圖樣，成功驗證了晶片的可程式設計任意五維疊加渦旋態的製備。晶片調控的不同OAM態之間的切換響應時間為7微秒。量子表徵透過量子態層析和糾纏見證測量，實驗驗證了五維真糾纏特性，證明片上渦旋光量子糾纏的產生與調控能力。

圖2. OAM疊加態的經典表徵調控。(a) OAM本徵模式-高斯模式的共軸干涉圖案；(b)不同相位角的OAM五維疊加態；(c)
OAM動態調控。

圖3. 高維糾纏測量與驗證。(a)重構的路徑-路徑糾纏態密度矩陣；(b)重構的路徑-OAM糾纏態密度矩陣；(c)重構的OAM-OAM糾纏態密度矩陣；（d)-(e)五維糾纏見證測量的實驗結果。

本工作實現的量子糾纏渦旋光發射晶片，不僅具備小型化（5毫米X 10毫米）、高穩定性、可程式設計調控、即插即用的優勢，還達到了微秒級的渦旋糾纏態操控，同時可進一步拓展糾纏維度與糾纏渦旋光數目。晶片上量子糾纏調控的靈活性與自由空間量子態傳輸的魯棒性相結合，為量子通訊、量子精密測量以及片上離子與原子操控等領域的應用開闢了全新的技術路徑。

值得一提的是，迄今為止，在矽基整合光量子晶片體系中，研究人員已成功實現了完備的不同自由度量子糾纏光源庫，包括路徑糾纏、偏振糾纏、時間糾纏、頻率糾纏、空間模式糾纏以及軌道角動量（OAM）模式糾纏。本項工作填補了片上OAM糾纏的空白，進一步完善了整合量子糾纏光源庫的體系，也為未來多自由度光量子資訊處理晶片的研究提供了全面的技術支撐。

表1: 基於整合光量子晶片的不同自由度量子糾纏態，包括路徑糾纏、偏振糾纏、時間糾纏、頻率模式糾纏、空間模式糾纏、軌道角動量模式糾纏（本項工作）。

北京大學物理學院2019級博士研究生黃潔珊、2020級博士研究生茆峻、2019級本科生李煦東（現哈佛大學博士研究生）、2020級本科生袁競擇（現耶魯大學博士研究生）為共同第一作者，王劍威教授和戴道鋅教授為共同通訊作者。合作者還包括北京大學李焱教授、龔旗煌教授、中國科學院微電子研究所楊妍研究員，物理學院博士研究生翟翀昊、戴天祥（現為香港大學博士後）、傅兆瑢，物理學院博士後鄭贇、博士後包覺明。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金，以及北京大學人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、浙江大學極端光學技術與儀器全國重點實驗室、北京大學長三角光電科學研究院、納光電子前沿科學中心、量子材料協同創新研究中心、極端光學協同創新研究中心、合肥量子國家實驗室等大力支援。