中科大任希锋教授：我们研制的量子光学芯片有什么用

日前，中科大首次研制成功硅基导膜量子集成芯片。任希锋研究组近日在量子集成光学芯片研究上取得重要进展，他们和浙江大学光电学院现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授合作，在硅光子集成芯片上首次利用硅纳米光波导本征模式作为量子信息编码的新维度，实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过90%，为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。

硅基导模量子集成光学芯片到底是啥？具有什么意义？带着这些疑问，观察者网采访了中科大任希锋教授，请任教授为大家答疑解惑。

上图：偏振编码，路径编码，波导模式编码相干转换示意图。下图：样品照片

**观察者网：**什么是量子光学芯片？

**任希锋：**量子光学芯片指的是在集成光学芯片（与传统芯片不同，用光代替电子进行计算和存储）中传输和操作量子信号。与自由空间光学、光纤光学相比，集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点，因而在经典光学和量子信息领域都受到了广泛关注。

**观察者网：**量子光学芯片可以应用于哪些领域？能用于量子计算机么？

**任希锋：**量子光学芯片可以应用于量子计算，量子模拟，量子通讯和量子计量等多个领域。由于目前量子纠缠光源的限制，目前量子光学芯片的研究主要是少数几个量子比特的传输和操作，如果未来在量子单光子方面的进展顺利，量子光学芯片有可能用来实现分布式的量子计算机。

**观察者网：**您提出的采用多模波导的本征模式作为编码量子信息的新自由度相对于过去的做法有哪些革新？

**任希锋：**在以往集成量子光学芯片研究中，人们通常采用偏振自由度或路径自由度，即利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码。其中，偏振编码仅能实现二维量子信息过程，无法实现高维编码，因而在信息容量和安全性方面存在明显不足；路径编码虽然可实现高维量子信息过程，但为了防止不同路径信息之间的串扰，其路径间距通常较大，极大地制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。

我们首次提出采用多模波导的本征模式作为编码量子信息的新自由度。利用一条支持多个波导模式的多模波导有望实现量子信息高维编码。例如，对于宽度约2.4微米的SOI光波导，即可支持8个导模，对应于8维光子信息编码。特别是这些模式之间相互正交，有效避免了信息串扰问题。与此同时，还可以在量子信息过程中同时利用光子的多个自由度，从而显著提升信息容量。

**观察者网：**能做到“偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%”的意义是什么？能达到怎样的效果？

**任希锋：**能做到“偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%”，意味着我们在集成量子光学芯片中可以同时操纵多个自由度，制备多个自由度同时纠缠的量子超纠缠态，进一步提高信息容量和信息传输的安全性，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定了重要基础。

**观察者网：**您在研制硅基导模量子集成光学芯片的过程中遇到的最大困难和挑战是什么，又是怎么克服困难的呢？

**任希锋：**由于我们采用了一种全新的自由度，因此从实验方案的设计，到样品的加工，测试都是别人没有做过的，都需要我们从头摸索，这是我们面临的最主要的困难。基于我们实验室在量子信息领域深厚的研究基础，以及合作者在硅基光学芯片方面丰富的加工经验和完善的加工条件，我们逐一解决了实验中所碰到的各种问题，如耦合效率，相位漂移，动态调控等。

**观察者网：**量子光学芯片在未来可能有哪些用途？

**任希锋：**正如前面所述，尽管量子光学在量子信息领域的研究中占据着重要地位，但是随着光路复杂程度的不断提高，平台光学在稳定性、可扩展性等方面已经不能满足进一步研究的需要，发展遇到了瓶颈。而量子光学芯片有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点，因而在经典光学和量子信息领域都受到了广泛关注，在量子计算、量子通讯、量子模拟以及量子计量方面都具有潜在的应用价值。

**观察者网：**最近中科大的技术成果很多，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、李力等与中科院上海微系统与信息技术研究所和美国麻省理工学院的科研人员合作，利用线性光学系统，在20公里的光纤线路中实现了量子指纹识别（Quantum Fingerprinting）。

能说说您对量子指纹识别技术的看法么？

**任希锋：**量子指纹识别我不是很熟悉，所以这方面的问题可能潘老师团队理解的更全面和深刻一些。

**观察者网：**日前，上海交通大学科研团队在实验室里成功捕捉到了马约拉纳费米子，据说马约拉纳费米子在量子计算机领域颇有前景，您对此怎么看？量子光学芯片能不能用于量子计算机？

**任希锋：**马约拉纳费米子确实在量子计算机领域有着重要的用途，实际上我们实验室另外一个研究小组也在从事相关的实验研究。

量子光学芯片目前由于量子纠缠光源在光子数上的限制，主要还集中在量子方案的一些原理性验证方面。但是，随着量子单光子源方面的进展，未来量子光学芯片的研究必然会在量子计算机方面体现出优势。

**观察者网：**对于中国近年来在量子信息技术方面的成绩，您如何评价？最近《自然》推出了中国科学家特辑，您怎么看？

**任希锋：**中国在量子信息技术方面做出了一系列国际前沿的研究成果，在量子信息研究的多个领域保持着国际最高的研究水准，特别是近年来，国家对这一领域加大投入，相信中国在量子信息领域的研究会继续走在世界各个国家的前列。

《自然》推出中国科学家特辑，是中国科学家在国际上地位的一种体现，其实在之前《先进材料》，《纳米快报》等一些国际一流期刊都推出过中国科学家特辑，这次《自然》的举动更是说明相当一部分中国科学家的研究水平已经达到了国际一流。

（采访：铁流  微信公众号：tieliu1988）

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