日前，中國科技大學(xué)郭光燦院士團隊在光量子芯片研究中取得重要進(jìn)展。該團隊任希鋒研究組與浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室戴道鋅團隊合作，國際首次實現(xiàn)了片上波導(dǎo)模式編碼的兩比特量子邏輯門操作，相關(guān)成果于2月11日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》發(fā)表。

經(jīng)典和量子信息應(yīng)用都需要大幅提高光子芯片的信息處理和通信能力，從而滿足日益增長的光通信和互聯(lián)的需求。為了實現(xiàn)大規(guī)模光量子系統(tǒng)，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。多模波導(dǎo)模式具有獨特性質(zhì)，如高維擴展性、緊湊性以及與其它自由度的任意相干轉(zhuǎn)換等，這使得波導(dǎo)模式編碼在集成光子學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的前景。因此，近年來波導(dǎo)模式編碼備受關(guān)注。

任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅團隊長期合作致力于硅基光量子器件及芯片研究并取得系列重要進(jìn)展：（1）國際上首次將波導(dǎo)模式編碼用于量子信息處理，實現(xiàn)了波導(dǎo)模式、偏振和路徑編碼糾纏態(tài)之間的相干轉(zhuǎn)換（Nat Commun 7, 11985, 2016）；（2）首次實現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼糾纏光源制備（npj Quantum Inf 5, 2, 2019）；（3）基于密集波導(dǎo)超晶格陣列構(gòu)建世界上最小尺寸的光學(xué)量子受控非門（Phys Rev Lett.126.130501 （2021））等。在此基礎(chǔ)上，雙方進(jìn)一步合作自主設(shè)計和研制了波導(dǎo)模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等兩種新型多模光子器件，分別用于實現(xiàn)特定的模式相關(guān)耦合和模式相關(guān)衰減等功能；并進(jìn)一步將這些新型光子功能器件單片集成，在國際上首次展示了波導(dǎo)模式編碼的兩比特受控非門控操作。

圖1. 光子波導(dǎo)模式編碼量子控制非門芯片示意圖

該成果為波導(dǎo)模式編碼量子操作鋪平了道路，也可用于片上多自由度光量子信息處理。審稿人一致認(rèn)為這是一個重要的研究工作，給出高度評價：“The two new components TMDDC and MMA invented here are important（新發(fā)明的兩種器件TMDDC和MMA很重要）”、“I believe that the work presented in this letter will provide essential tools in that field（我相信這個工作將在相應(yīng)研究領(lǐng)域中提供必要工具）”。

中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點實驗室特任副研究員馮蘭天和浙江大學(xué)助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060501