前沿 | 基于光量子芯片的密集纠缠分发

研究背景

      小型化、集成化是量子光学系统走向大规模和实用化的必经之路。量子集成光学芯片以微纳加工为技术手段，将量子光源、光量子操作、单光子探测等集成于同一块芯片，以实现高稳定性和高扩展性。这种芯片具有体积小、功耗低等优点，能够有效地提高量子计算和通信的效率和可靠性，在科学价值和产业化发展方面都有着重要意义。

论文导读

      在量子网络中，为增强信息传输能力、充分利用纠缠光子带宽、增加用户数量，密集波分复用（DWDM）技术通常被采用，并在多种量子网络架构中发挥关键作用。与偏振和频率纠缠相比，基于时间基的纠缠对光纤传输中的偏振和频率色散不敏感，可在光纤网络中保持良好的相干性，因此被广泛使用。例如，可以将不等臂马赫-曾德尔干涉仪（UMZI）网络与DWDM元件结合起来，利用能量-时间纠缠态进行多用户之间的远距离量子纠缠分发。将这些关键元件单片集成，可以大大提高系统的紧凑性和实用性。作为集成DWDM系统的主要选择，阵列波导光栅（AWG）已经在二氧化硅、绝缘体上硅（SOI）、氮化硅（SiN）、绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）和聚合物等多种材料上实现。然而，受限于基于上述材料可制备的器件性能，目前的工作仍局限于较小的集成规模，特别是其中两个关键器件——DWDM和UMZI网络尚未完全集成在同一个芯片上。

      近日，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士、任希锋教授团队与中科院西安光学精密机械研究所张文富研究员团队合作，首次将AWG和UMZI单片集成，并展示了芯片间的多波长能量-时间纠缠态分发过程。相关工作以“Photonic-chip-based dense entanglement distribution”为题于2023年3月9日发表在PhotoniX上。

主要研究内容

      本文实现了32通道高性能AWG和32个UMZI的单片集成，并用于构建量子网络，展示了在三个光子芯片之间进行多波长能量-时间纠缠分发的过程。如图1所示，一个光纤封装的硅波导纳米线用于产生宽带光子对，而另外两个接收器芯片则集成在单芯片上，作为用户端，用于操作能量-时间纠缠态。在这两个接收芯片上，32个波长通道可支持32个不同用户的同时操作。我们证明，即使芯片之间隔着上1公里长的光纤，也可以实现高可见度的量子干涉。这说明了多芯片互联系统的有效性。该系统将在密集量子通信和建立实用化量子网络方面发挥重要作用。

技术突破

      在实验中，UMZI的臂长引起的时延差为400 ps，主要由探测器的时间抖动和单光子的相干时间决定。使用窄带光源和抖动更小的探测器，能够进一步减小臂长差，这将有助于在芯片上构建更多通道的高维能量-时间纠缠。在本论文结构基础上，通过级联多级UMZI，可以演示高维多通道能量-时间纠缠分布，从而进一步增加系统容量。此外，如果添加一个UMZI来调制脉冲泵浦激光，本文的方案可以扩展到time-bin纠缠。由于接收器芯片的多个波长通道可以支持不同用户的同时操作，本论文的工作推进了大规模和复杂量子网络的研究的进展。

观点评述

      本工作首次在芯片上单片集成了DWDM组件和多个UMZI，并展示了高干涉可见度的多芯片纠缠分发过程。受益于所采用的低损耗、适中的光学非线性和高集成密度集成材料，本工作有望扩展到多用户高维能量-时间和time-bin纠缠分发过程，为构建更复杂、更大规模的量子网络奠定了基础。

主要作者

      中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室博士生任尚宇、中国科学院西安光学精密机械研究所副研究员王伟强为共同第一作者。中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室冯兰天副研究员、任希锋教授与中国科学院西安光学精密机械研究所张文富研究员为共同通讯作者。上述工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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