北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”王剑威研究员、龚旗煌课题组在硅基光量子芯片研究方面取得重要进展

北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”王剑威研究员和龚旗煌院士领导的课题组，与英国、丹麦、奥地利和澳大利亚的学者合作，实现了硅基集成光量子芯片上的多体量子纠缠和芯片-芯片间的量子隐形传态功能，为芯片上光量子信息处理和计算模拟的应用，奠定了坚实的基础。相关研究成果于近日发表在国际顶级物理期刊Nature Physics(https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。

集成光量子芯片技术，结合了量子物理、量子信息和集成光子学等前沿学科，通过半导体微纳加工制造高性能且大规模集成的光量子器件，实现对光量子信息的高效处理、计算和传输等功能。其中，利用硅基平面光波导集成技术的光量子芯片具有诸多独特优势，包括集成度高、稳定性好、编程操控性优越和可单片集成核心光量子器件等，因此被认为是一种实现光量子信息应用的重要手段之一。

北京大学研究团队与布里斯托尔大学、丹麦科技大学、奥地利科学院、赫瑞-瓦特大学和西澳大利亚大学科研人员密切合作，在硅基光量子芯片技术和应用方面取得了突破性进展。研究团队发展了一种基于微环谐振腔的高性能集成量子光源，通过硅波导的强四波混频非线性效应，实现了光子全同性优于90%、无需滤波后处理的50%触发效率的单光子对源，达到了对4组微腔量子光源阵列的相干操控，片上双光子量子纠缠源的保真度达到了92%。团队实现了关键的可编程片上双比特量子纠缠门，可以按照功能需要切换贝尔投影测量和量子比特焊接操作，通过量子态层析实验确认了高保真的双比特纠缠操作。

研究团队在单一硅芯片上实现了高性能量子纠缠光源、可编程双比特量子纠缠门，以及可编程单量子比特测量的全功能集成，进而实现了三种核心量子功能模块——芯片上四光子真纠缠、量子纠缠互换、芯片-芯片间的高保真量子隐形传态。通过对两对纠缠光子对进行量子比特焊接操作，团队实现并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子纠缠的存在；通过对两对纠缠光子中各一个光子进行贝尔投影操作，实现了量子纠缠互换功能，使来自不同光子源的光子间产生了量子纠缠；利用两个芯片间的量子态传输和量子纠缠分布技术，实现了两个芯片间任意单量子比特的量子隐形传态，达到了近90%的隐形传态保真度。

团队研制的硅基多光子量子芯片尺寸仅占几平方毫米，比传统实现方法小了约5-6个数量级，不仅达到了器件的微型化，同时具备了单片全功能集成、器件编程可控、系统性能优越等特点，其中量子隐形传态保真度优于已报道的其它物理实现方法。多体量子纠缠体系的片上制备与量子调控技术，为片上量子物理基础研究和片上光量子信息处理传输、量子计算模拟的应用提供了重要基础。

前期工作中，北京大学团队还发展了硅基大规模集成的光量子芯片技术，实现了基于高维量子纠缠的复杂量子信息处理功能(Science 360, 285-291 (2018) )；在芯片上实现了玻色取样专用型光量子计算和量子模拟功能(Nature Physics 15, 925-929 (2019) )；并应邀撰写了集成光量子芯片技术综述(Nature Photonics, doi:10.1038/s41566-019-0532-1 (2019) )。

论文第一作者为英国布里斯托尔大学博士生Daniel Llewellyn，丹麦科技大学丁运鸿研究员、ImadFaruque博士；通讯作者为北京大学王剑威；合作者还包括北京大学李焱教授和肖云峰教授、中山大学周晓祺教授等。

这项工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、北京市量子信息科学研究院和广东省重点领域研发计划项目资助，以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电前沿科学研究中心和量子物质科学协同创新中心等机构支持。

文章来源：北京大学物理学院

山西大学科研团队利用强耦合CQED系统实现几个光子水平的光学非互易传输

美国物理学会主办的学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线发表了山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室张天才教授研究团队在腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics, CQED）方面的重要研究进展：利用强耦合CQED系统实现了几个光子水平的光学非互易传输。论文题目为“Realization of nonlinear optical nonreciprocity on a few-photon level based on atoms strongly coupled to an asymmetric cavity” [Phys. Rev. Lett. 123.233604 (2019)]。

单向性传输或者隔离是许多光学系统的基本功能。无磁光学非互易传输可以为光信息处理等光子学研究和应用提供具有单向传输特性的光隔离器件，近年来受到广泛关注。张天才教授团队多年来一直从事腔量子电动力学方面的研究。他们建立了一套单个原子与光学微腔强耦合相互作用的实验系统，通过光学冷却和操控原子技术，把冷却到微开量级（-273.14℃左右）的铯原子控制在微光学腔内。该微光学腔由两片相距335微米、反射率高达99.990%和99.999%的“超镜”（super-mirror）组成。单个光子被置于腔内，在“死亡”(被吸收、散射或者逃逸)之前能够来回反射六万次左右，与囚禁在腔中的原子发生强耦合相互作用。单个光子在单个原子与腔之间相互交换，每秒钟可达五百五十万次。该强耦合系统对原子和光子极度敏感，能感受到平均0.6和0.1个原子和光子的变化。利用该系统的强烈非线性和非对称腔的特点，实验上获得了低至3.8个腔内平均光子的光学非互易传输（Optical Non-Reciprocity，ONR），对应的入射光功率达到皮瓦（一万亿分之一瓦）量级。这种在几个光子水平下的光学非互易传输，其工作窗口可以通过控制原子的数目进行调节，实验上获得了最高达30dB的阻塞率。与传统基于非线性光学的非互易传输系统相比，这是目前国际上具有最小工作功率和最大阻塞率的非线性ONR系统。该ONR机制可以应用到通过基于芯片的回音壁模式腔或光纤腔，实现基于芯片的超低功耗光二极管。基于强耦合腔量子电动力学系统完成的该实验，为实现极弱光的无磁非线性光学非互易传输开辟了新的途径。

该论文的第一作者为山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室博士研究生杨鹏飞，通讯作者为张天才教授和李刚教授。合作者包括该研究团队的博士生贺海、博士生李少康、硕士生韩星和张鹏飞副教授。理论部分的合作者为井冈山大学的夏秀文副教授，中国人民大学张芃教授、同济大学的许静平教授和羊亚平教授。

这项工作得到国家重点研发计划课题、国家自然科学重点项目和面上项目、量子光学与光量子器件国家重点实验室(山西大学)和省部共建极端光学协同创新中心(山西大学)的支持。

文章来源：山西大学光电研究所