王剑威研究员、胡小永教授、龚旗煌院士课题组与合作者实现拓扑保护的集成量子纠缠光源

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量子信息与拓扑物理是量子力学衍生出来的两个重要学科分支，其中量子纠缠态与拓扑相既是基础物理研究的核心内容，也是前沿技术发展的关键物理资源。量子纠缠是量子计算、量子模拟和量子通信等应用的关键资源，约20量子比特的量子纠缠态均已在光子、超导、离子和原子等体系中实现；然而，量子纠缠对量子器件加工、量子器件调控等过程中存在的完美性提出了苛刻的实验要求，使得量子技术在走向实际应用的过程中面临着诸多挑战。另外，拓扑相的物理概念，源自强磁场下二维电子系统观察到的整数量子霍尔效应，近年来拓展到光学、声学和冷原子等体系，并且大放异彩；拓扑相所具有的鲁棒性给予拓扑边界态在对称性保护下的抗缺陷和抗不完美的能力。因此，制备出具有拓扑保护的量子纠缠态，对研制大规模集成的量子器件和大尺度量子计算机，以及研究量子体系的新拓扑物理和现象等均具有重要的现实意义。
        量子芯片是实现大规模量子计算机的关键，有望应用于医疗、制药、人工智能、能源和信息安全等领域。以光子为量子信息载体的光量子芯片，是实现量子计算机的重要平台之一，受到国内外学术界、科学界和产业界的高度重视。近年来，国际上对互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的硅基光量子计算芯片的研究投入和研发速度都迅速加大，不仅因为其微电子工艺兼容的微纳加工技术是人类已掌握的最尖端技术之一，从而可实现高性能、高稳定度、可经典微电子控制的大规模光量子芯片，而且还因为其有望实现量子功能全集成的大尺度光量子计算机内核芯片。然而，即便如此，随着光量子芯片集成度的不断提升、量子器件数目和量子比特数目的增加，量子器件的加工误差和不均匀性在一定程度上仍无法避免，量子调控的误差和噪声等也会随之增加。例如北京大学“极端光学创新研究团队”前期研制的大规模硅基光量子芯片，单片集成约650多个器件和近100个可编程器件，原则上可用于实现16×16维度的高维度量子纠缠，但因加工误差导致只能实现15×15维度的量子纠缠（Science 360, 285 (2018)）。因此，需要找到一种新的物理机制来保证量子芯片在诸多不完美的情况下，依旧能够精确且高效地运作，这对研制可实用化、可商用化的量子计算机至关重要。
          近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、“极端光学创新研究团队”王剑威研究员、胡小永教授和龚旗煌院士课题组与来自中国科学院微电子研究所、上海交通大学、浙江大学、英国布里斯托尔大学、澳大利亚西澳大学等的学者合作，共同实现了拓扑保护的集成量子纠缠光源，在基于硅基二维耦合谐振环构型的反常弗洛凯（Floquet）拓扑绝缘体器件的拓扑边界上，制备出具有拓扑鲁棒性的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠态和多光子纠缠态。联合研究团队通过实验观测量子干涉和量子态层析技术，并对比完美无结构缺陷的拓扑量子纠缠光源、带结构缺陷的拓扑量子纠缠光源以及平凡的量子光源等多种构型，首次在实验上证明了量子纠缠源在存在某些类结构缺陷和加工误差的情况下，依然具有和完美器件近乎一致的高量子态保真度和纯度。
        拓扑量子纠缠光源基于光学反常弗洛凯拓扑绝缘体的耦合微环二维网状构型，共含280个直径均为61微米的硅基微环（图1(a,b)）。在该光学拓扑绝缘体的边界，可产生依赖于光子在主环内绕向的两个拓扑保护的边界传输模式，即上赝自旋态（图1(c)）和下赝自旋态（图1(d)）。当光子沿拓扑边界传输时，即便遇到某些缺陷和不完美结构，依然可保持无损耗传输，即所谓拓扑保护的传输鲁棒性。例如，图1(f)所示为内嵌北京大学“PKU”形状缺陷的拓扑光子器件及其边界态成像。

图1（a）带缺陷的拓扑保护纠缠光源示意图；（b）拓扑量子纠缠光源显微镜实物图；（c,d）上下赝自旋的拓扑边界态成像图；（e）体态成像图；（f）北京大学“PKU”形状缺陷器件及其边界态成像图

        联合研究团队利用在光学反常弗洛凯拓扑绝缘体的拓扑边界态上，调控其自发四波混频非线性过程来衍生出单光子关联光子对，进而制备EPR纠缠态和多光子纠缠态。由于拓扑边界态存在线性色散关系，在拓扑边界模式中的光子天然满足相位匹配，因而能高效地发生四波混频过程。通过对两个非平凡拓扑边界模式进行相干激光泵浦，并对衍生的光子进行量子过程不可区分处理，制备出赝自旋量子关联的EPR纠缠光子对。
该拓扑保护的量子纠缠光源也可以从另外一个角度去理解：每个微环谐振单元都是一个独立的单光子对量子光源，可通过非线性效应衍生出关联光子对（例如团队前期研究成果Nature Physics 16, 148 (2020)）；然而，加工误差和加工非均匀性可导致单个微环量子光源无法正常工作。按照物理学家Philip Anderson教授的名言“Moreis different”，通过控制280个微环量子光源的相互耦合，形成一个整体的新量子光源，从而使其获得全新的物理性质，在拓扑保护的光学拓扑绝缘体边界产生赝自旋关联的纠缠光子态。通过更多（“more”）的微环量子光源耦合，即便某些微环单元发生整体缺失或增添等缺陷，亦或是微环间存在一定程度的不均匀性，仍然可保证整体的拓扑量子光源完美工作（“different”）。
        实验结果表明，该拓扑量子纠缠光源产生的EPR纠缠态，具有96.8%的高保真度和96.2%的高纯度（图2上）。重要的是，即使在纠缠源内部存在某些类结构缺陷和加工误差导致的无序，拓扑鲁棒性仍可免疫该类缺陷和无序，从而高质量地保护量子纠缠态的性能，依然获得具有和完美器件近乎一致的高量子态保真度和纯度（图2中）。相反，对于一个平凡量子器件而言，即便不存在结构缺陷，纠缠性能也会因为器件加工误差导致的无序性而被破坏（图2下）（具体实验结果及其对比如图2所示）。同时，联合研究团队在强脉冲激光泵浦的实验条件下，通过观察多光子量子干涉的德布罗意波长，还展示了该器件可用于产生拓扑保护的四光子数纠缠态。

图2 拓扑量子纠缠态及其密度矩阵实验结果：（上）完美无结构缺陷的拓扑量子纠缠光源；（中）带结构缺陷的拓扑量子纠缠光源；（下）平凡量子光源

         该研究工作实现的拓扑量子纠缠光源为北京大学团队前期发展的硅基光量子芯片技术提供了重要支撑，将有助于研制大规模集成光量子芯片和大尺度光量子计算机。近五年，王剑威和龚旗煌团队在该领域取得一系列重要研究成果：例如，发展了国际最大规模集成硅基光量子芯片技术和片上高维量子信息技术【Science 360, 285 (2018)】，首次实现了芯片上四光子真纠缠和芯片间量子隐形传态【Nature Physics 16, 148 (2020)】，研制了面向量子优势的高斯玻色取样专用型光量子计算芯片【Nature Physics 15, 925 (2019)】，发展了面向含噪量子信息应用的光量子计算和量子模拟芯片【Nature Physics 13, 551 (2017)、Science Advances 4, 9646 (2018)】，研制了面向通用量子计算的八比特簇态光量子计算芯片并验证了量子纠错功能【Nature Physics 17, 1137 (2021)】，在大规模光量子芯片上首次观测到广义的多路径波粒二象性和相干性【Nature Communications 2, 2712 (2021)】，并受邀撰写了集成光量子芯片技术综述【Nature Photonics 14, 273 (2020)、Nature Review Physics (2021)、《中国科学：物理学力学天文学》50, 084216(2020)】等。
      2022年2月17日，相关成果以“拓扑保护的量子纠缠光源”（Topologically Protected Quantum Entanglement Emitters）为题，在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。北京大学物理学院2019级博士研究生戴天祥、2017级博士研究生敖雨田、2018级博士研究生包觉明、2020级博士研究生茆峻、2019级博士研究生池昱霖为文章共同第一作者，王剑威、胡小永、龚旗煌与中国科学院微电子研究所杨妍研究员为共同通讯作者；主要合作者还包括中国科学院微电子研究所李志华研究员、唐波高级工程师，上海交通大学袁璐琦副教授，浙江大学高飞研究员、林晓研究员，英国布里斯托尔大学Mark Thompson教授，澳大利亚西澳大学Jeremy O’Brien教授，北京大学物理学院李焱教授，以及北京大学物理学院本科生傅兆瑢、尤一龙，博士研究生陈晓炯、翟翀昊。
        上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划，以及人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。
      
        文章来源：北京大学
       龚旗煌，光学与光子学专家。北京大学长江特聘教授、博雅讲席教授；中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1964年8月出生于福建省莆田市。1983年和1989年分别获得北京大学学士学位和博士学位（中英联合培养）。现任北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室学术委员会主任、北京大学党委常委、常务副校长，兼任教务长、研究生院院长。负责本科教育、研究生教育、招生等工作，协助校长统筹学校“双一流”建设工作，协管人事、师德师风工作。长期从事非线性光学前沿与时空小尺度光学研究。提出通过电荷快速转移获得超快响应和大系数的三阶非线性光学材料的新方法，实现了高性能超快低阈值全光开关；开拓飞秒/纳米时空高分辨光学测量，实现纳微结构超快光调控及电子态的人工调控。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利科学技术奖、北京市科学技术奖一等奖、教育部科技进步奖一等奖、中国物理学会饶毓泰奖和中国光学学会王大珩科技奖等奖励。先后当选为英国皇家物理学会会士、美国光学学会会士、中国光学学会会士和国际光学工程学会会士。现任国际光学委员会（ICO）副主席、中国科协九届常务委员、中国光学学会理事长、中国物理学会副理事长。
        胡小永，北京大学物理学院 教授、博士生导师、国家杰出青年基金获得者。2004年博士毕业于中国科学院物理研究所，2004年-2006年北京大学物理学院博士后，2006年在北京大学物理学院现代光学研究所工作。2007年获饶毓泰基础光学奖二等奖，2010年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2010年获王选青年学者奖，2011年获国家自然科学奖二等奖（排名第二），2012年获国家杰出青年科学基金资助。应邀担任重要期刊美国光学学会Optics Letters的专题编辑（任期2012年—2015年）。
       王剑威，北京大学物理学院研究员，获海外高层次青年人才项目支持。研究领域为集成光量子芯片物理、技术与应用，包括关键集成量子器件与硬件、大规模硅基集成光量子芯片、光子-离子/原子混合集成芯片、离散-连续混合量子芯片、复杂量子纠缠体系制备与调控和量子算法物理实现等，并开展量子计算、量子模拟、量子信息处理和量子通信等前沿应用的研究。在包括Science(2篇) 、Nature Physics (4篇)、Nature Photonics (3篇)、Nature Review Physics、Science Advances、Nature Communications (2篇)、PRL和Optica等在内的国际学术期刊上发表论文30余篇。担任Science、Nature Photonics、Nature Commun.、Light、PRL、PNAS等杂志特邀审稿人。承担科技部重点研发计划项目、国家自然基金面上项目、北京市自然基金重点项目、广东省重点研发等项目或课题负责人。