中科大首次研制成功硅基導(dǎo)膜量子集成芯片。任希鋒研究組近日在量子集成光學(xué)芯片研究上取得重要進(jìn)展，他們和浙江大學(xué)光電學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授合作，在硅光子集成芯片上首次利用硅納米光波導(dǎo)本征模式作為量子信息編碼的新維度，實(shí)現(xiàn)了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導(dǎo)模式等不同自由度之間的相干轉(zhuǎn)換，其干涉可見度均超過90%，為集成量子光學(xué)芯片上光子多個(gè)自由度的操縱和轉(zhuǎn)換提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　硅基導(dǎo)模量子集成光學(xué)芯片到底是啥?具有什么意義?帶著這些疑問，觀察者網(wǎng)采訪了中科大任希鋒教授，請(qǐng)任教授為大家答疑解惑。

　　上圖：偏振編碼，路徑編碼，波導(dǎo)模式編碼相干轉(zhuǎn)換示意圖。下圖：樣品照片

　　什么是量子光學(xué)芯片?

　　任希鋒：量子光學(xué)芯片指的是在集成光學(xué)芯片(與傳統(tǒng)芯片不同，用光代替電子進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ))中傳輸和操作量子信號(hào)。與自由空間光學(xué)、光纖光學(xué)相比，集成光學(xué)的器件及系統(tǒng)具有尺寸小、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注。

　　量子光學(xué)芯片可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域?能用于量子計(jì)算機(jī)么?

　　任希鋒：量子光學(xué)芯片可以應(yīng)用于量子計(jì)算，量子模擬，量子通訊和量子計(jì)量等多個(gè)領(lǐng)域。由于目前量子糾纏光源的限制，目前量子光學(xué)芯片的研究主要是少數(shù)幾個(gè)量子比特的傳輸和操作，如果未來在量子單光子方面的進(jìn)展順利，量子光學(xué)芯片有可能用來實(shí)現(xiàn)分布式的量子計(jì)算機(jī)。

　　您提出的采用多模波導(dǎo)的本征模式作為編碼量子信息的新自由度相對(duì)于過去的做法有哪些革新?

　　任希鋒：在以往集成量子光學(xué)芯片研究中，人們通常采用偏振自由度或路徑自由度，即利用不同偏振或不同路徑來實(shí)現(xiàn)量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實(shí)現(xiàn)二維量子信息過程，無法實(shí)現(xiàn)高維編碼，因而在信息容量和安全性方面存在明顯不足;路徑編碼雖然可實(shí)現(xiàn)高維量子信息過程，但為了防止不同路徑信息之間的串?dāng)_，其路徑間距通常較大，極大地制約了量子光學(xué)芯片集成度的提升和功能擴(kuò)展。

　　我們首次提出采用多模波導(dǎo)的本征模式作為編碼量子信息的新自由度。利用一條支持多個(gè)波導(dǎo)模式的多模波導(dǎo)有望實(shí)現(xiàn)量子信息高維編碼。例如，對(duì)于寬度約2.4微米的SOI光波導(dǎo)，即可支持8個(gè)導(dǎo)模，對(duì)應(yīng)于8維光子信息編碼。特別是這些模式之間相互正交，有效避免了信息串?dāng)_問題。與此同時(shí)，還可以在量子信息過程中同時(shí)利用光子的多個(gè)自由度，從而顯著提升信息容量。

　　觀察者網(wǎng)：能做到“偏振、路徑和波導(dǎo)模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換，單光子和雙光子的干涉可見度均超過90%”的意義是什么?能達(dá)到怎樣的效果?

　　任希鋒：能做到“偏振、路徑和波導(dǎo)模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換，單光子和雙光子的干涉可見度均超過90%”，意味著我們?cè)诩闪孔庸鈱W(xué)芯片中可以同時(shí)操縱多個(gè)自由度，制備多個(gè)自由度同時(shí)糾纏的量子超糾纏態(tài)，進(jìn)一步提高信息容量和信息傳輸?shù)陌踩裕瑸閷?shí)現(xiàn)集成量子光學(xué)芯片中高維量子信息過程奠定了重要基礎(chǔ)。

　　您在研制硅基導(dǎo)模量子集成光學(xué)芯片的過程中遇到的最大困難和挑戰(zhàn)是什么，又是怎么克服困難的呢?

　　任希鋒：由于我們采用了一種全新的自由度，因此從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，到樣品的加工，測(cè)試都是別人沒有做過的，都需要我們從頭摸索，這是我們面臨的最主要的困難?；谖覀儗?shí)驗(yàn)室在量子信息領(lǐng)域深厚的研究基礎(chǔ)，以及合作者在硅基光學(xué)芯片方面豐富的加工經(jīng)驗(yàn)和完善的加工條件，我們逐一解決了實(shí)驗(yàn)中所碰到的各種問題，如耦合效率，相位漂移，動(dòng)態(tài)調(diào)控等。

　　觀察者網(wǎng)：量子光學(xué)芯片在未來可能有哪些用途?

　　任希鋒：正如前面所述，盡管量子光學(xué)在量子信息領(lǐng)域的研究中占據(jù)著重要地位，但是隨著光路復(fù)雜程度的不斷提高，平臺(tái)光學(xué)在穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等方面已經(jīng)不能滿足進(jìn)一步研究的需要，發(fā)展遇到了瓶頸。而量子光學(xué)芯片有尺寸小、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注，在量子計(jì)算、量子通訊、量子模擬以及量子計(jì)量方面都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

　   最近中科大的技術(shù)成果很多，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、李力等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和美國(guó)麻省理工學(xué)院的科研人員合作，利用線性光學(xué)系統(tǒng)，在20公里的光纖線路中實(shí)現(xiàn)了量子指紋識(shí)別(Quantum Fingerprinting)。

　　能說說您對(duì)量子指紋識(shí)別技術(shù)的看法么?

　　任希鋒：量子指紋識(shí)別我不是很熟悉，所以這方面的問題可能潘老師團(tuán)隊(duì)理解的更全面和深刻一些。

　　日前，上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了馬約拉納費(fèi)米子，據(jù)說馬約拉納費(fèi)米子在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域頗有前景，您對(duì)此怎么看?量子光學(xué)芯片能不能用于量子計(jì)算機(jī)?

　　任希鋒：馬約拉納費(fèi)米子確實(shí)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有著重要的用途，實(shí)際上我們實(shí)驗(yàn)室另外一個(gè)研究小組也在從事相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

　　量子光學(xué)芯片目前由于量子糾纏光源在光子數(shù)上的限制，主要還集中在量子方案的一些原理性驗(yàn)證方面。但是，隨著量子單光子源方面的進(jìn)展，未來量子光學(xué)芯片的研究必然會(huì)在量子計(jì)算機(jī)方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)于中國(guó)近年來在量子信息技術(shù)方面的成績(jī)，您如何評(píng)價(jià)?最近《自然》推出了中國(guó)科學(xué)家特輯，您怎么看?

　　任希鋒：中國(guó)在量子信息技術(shù)方面做出了一系列國(guó)際前沿的研究成果，在量子信息研究的多個(gè)領(lǐng)域保持著國(guó)際最高的研究水準(zhǔn)，特別是近年來，國(guó)家對(duì)這一領(lǐng)域加大投入，相信中國(guó)在量子信息領(lǐng)域的研究會(huì)繼續(xù)走在世界各個(gè)國(guó)家的前列。