中科大任希鋒教授：我們研制的量子光學芯片有什么用

　　日前，中科大首次研制成功硅基導膜量子集成芯片。任希鋒研究組近日在量子集成光學芯片研究上取得重要進展，他們和浙江大學光電學院現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授合作，在硅光子集成芯片上首次利用硅納米光波導本征模式作為量子信息編碼的新維度，實現(xiàn)了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振、路徑、波導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%，為集成量子光學芯片上光子多個自由度的操縱和轉(zhuǎn)換提供了重要實驗依據(jù)。

　　硅基導模量子集成光學芯片到底是啥?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，請任教授為大家答疑解惑。

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

　　觀察者網(wǎng)：什么是量子光學芯片?

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

　　觀察者網(wǎng)：量子光學芯片可以應用于哪些領(lǐng)域?能用于量子計算機么?

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

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

　　任希鋒：在以往集成量子光學芯片研究中，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現(xiàn)量子信息編碼。其中，偏振編碼僅能實現(xiàn)二維量子信息過程，無法實現(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擾，其路徑間距通常較大，極大地制約了量子光學芯片集成度的提升和功能擴展。

　　我們首次提出采用多模波導的本征模式作為編碼量子信息的新自由度。利用一條支持多個波導模式的多模波導有望實現(xiàn)量子信息高維編碼。例如，對于寬度約2.4微米的SOI光波導，即可支持8個導模，對應于8維光子信息編碼。特別是這些模式之間相互正交，有效避免了信息串擾問題。與此同時，還可以在量子信息過程中同時利用光子的多個自由度，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?能達到怎樣的效果?

　　任希鋒：能做到“偏振、路徑和波導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%”，意味著我們在集成量子光學芯片中可以同時操縱多個自由度，制備多個自由度同時糾纏的量子超糾纏態(tài)，進一步提高信息容量和信息傳輸?shù)陌踩?，為實現(xiàn)集成量子光學芯片中高維量子信息過程奠定了重要基礎(chǔ)。

　　觀察者網(wǎng)：您在研制硅基導模量子集成光學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，因此從實驗方案的設(shè)計，到樣品的加工，測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。基于我們實驗室在量子信息領(lǐng)域深厚的研究基礎(chǔ)，以及合作者在硅基光學芯片方面豐富的加工經(jīng)驗和完善的加工條件，我們逐一解決了實驗中所碰到的各種問題，如耦合效率，相位漂移，動態(tài)調(diào)控等。

　　觀察者網(wǎng)：量子光學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，但是隨著光路復雜程度的不斷提高，平臺光學在穩(wěn)定性、可擴展性等方面已經(jīng)不能滿足進一步研究的需要，發(fā)展遇到了瓶頸。而量子光學芯片有尺寸小、可擴展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，因而在經(jīng)典光學和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注，在量子計算、量子通訊、量子模擬以及量子計量方面都具有潛在的應用價值。

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

　　能說說您對量子指紋識別技術(shù)的看法么?

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

　　觀察者網(wǎng)：日前，上海交通大學科研團隊在實驗室里成功捕捉到了馬約拉納費米子，據(jù)說馬約拉納費米子在量子計算機領(lǐng)域頗有前景，您對此怎么看?量子光學芯片能不能用于量子計算機?

　　任希鋒：馬約拉納費米子確實在量子計算機領(lǐng)域有著重要的用途，實際上我們實驗室另外一個研究小組也在從事相關(guān)的實驗研究。

　　量子光學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證方面。但是，隨著量子單光子源方面的進展，未來量子光學芯片的研究必然會在量子計算機方面體現(xiàn)出優(yōu)勢。

　　觀察者網(wǎng)：對于中國近年來在量子信息技術(shù)方面的成績，您如何評價?最近《自然》推出了中國科學家特輯，您怎么看?

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