北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心王劍威研究員、何瓊毅研究員和龔旗煌院士等與中國科學(xué)院微電子研究所、首都師范大學(xué)和奧地利科學(xué)院合作在光量子芯片上多路徑波粒二象性研究中取得重要科學(xué)進(jìn)展。他們實(shí)現(xiàn)了一款大規(guī)模集成的可編程硅基光量子芯片，在量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)框架下，將波粒二象性的互補(bǔ)性關(guān)系推廣至多路復(fù)雜量子體系。

波粒二象性是量子力學(xué)的一個(gè)核心概念，有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究往往集中于楊氏雙縫或馬赫-曾德爾雙路徑干涉系統(tǒng)。在復(fù)雜多縫或多路徑量子體系中，粒子的波粒二象性是否依舊遵循互補(bǔ)性關(guān)系、是否存在普適化準(zhǔn)則，以及如何有效刻畫多模式量子相干性等，迄今未被實(shí)驗(yàn)揭示和驗(yàn)證。

北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)與合作者發(fā)展了大規(guī)模硅基集成的可重構(gòu)光量子芯片技術(shù)，近期研制了一款可惠勒延遲選擇測(cè)量裝置的多路徑馬赫-曾德爾干涉儀。該芯片單片集成350多個(gè)光子元器件和近100個(gè)可調(diào)相移器，是目前規(guī)模最大的光量子芯片之一（見下圖）。利用該芯片，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了量子糾纏片上產(chǎn)生、量子受控型d模式普適化分束器、d模式普適化馬赫-曾德爾干涉儀以及量子態(tài)重構(gòu)等功能器件和模塊。他們驗(yàn)證了多路徑干涉體系中的玻恩準(zhǔn)則，測(cè)得-0.0031 ±0.0047的Sorki參數(shù)，與已發(fā)表文獻(xiàn)中最精確測(cè)量的結(jié)果齊平，排除了高階干涉的存在。通過相干糾纏量子態(tài)和量子過程，實(shí)現(xiàn)了一種量子受控的d模式分束器，其狀態(tài)決定了d模式觀測(cè)儀器的狀態(tài)，從而可在惠勒延遲選擇條件下觀測(cè)粒子的多路徑波粒二象性。圖中分別為單光子在2、4和8-路徑干涉儀所觀測(cè)到的粒子性和波動(dòng)性分布圖，表明在多路徑量子體系中存在更豐富的多模式量子化特性和多路徑量子相干性。通過測(cè)量多模式粒子性D和多路徑量子相干性C，首次在多路徑量子體系中驗(yàn)證了普適化玻爾不等式C2+D2≤1。此外，他們還展示了對(duì)高維量子相干性的直接探測(cè)和高維隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生。這項(xiàng)研究有助于更深入地理解復(fù)雜高維量子體系的基礎(chǔ)物理特性，發(fā)展大規(guī)模集成光量子芯片調(diào)控技術(shù)有望推動(dòng)高維量子信息技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

A.大規(guī)模集成的可編程硅基光量子芯片線路示意圖和芯片實(shí)物圖；B-G.片上延遲實(shí)驗(yàn)條件下觀測(cè)到的多路徑波動(dòng)性和粒子性轉(zhuǎn)化分布，可看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析高度一致（F值）；H-M.多路徑量子體系中普適化玻爾不等式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5月7日，相關(guān)研究成果以“A generalised multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip（基于大規(guī)模集成光量子芯片的多路徑普適化波粒二象性研究）”為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications12, 2712 (2021)）。北京大學(xué)物理學(xué)院2018級(jí)博士生陳曉炯、2017級(jí)本科生鄧曜昊、2018級(jí)博士生劉殊恒為共同第一作者，王劍威、何瓊毅、龔旗煌和中國科學(xué)院微電子研究所楊妍研究員為共同通訊作者，首都師范大學(xué)費(fèi)少明教授、中國科學(xué)院微電子研究所李志華研究員和奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所Marcus Huber教授亦參與研究工作。上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃等支持。

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