北大/山大实现首个基于集成光量子芯片的连续变量量子纠缠簇态
北大/山大实现首个基于集成光量子芯片的连续变量量子纠缠簇态
量子纠缠是量子信息科学的核心概念，而集成光量子芯片则是实现量子计算和量子网络的关键技术。近日，北京大学和山西大学联合研究团队在这一领域取得重大突破，在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。
量子纠缠簇态在量子信息科学中占据核心地位，是量子计算和量子纠错的关键资源，同时为构建量子网络和模拟多体量子系统提供了重要基础。集成光量子芯片作为一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台，为量子纠缠簇态的制备、操控与测量提供了强大的技术支撑。与传统离散变量光量子芯片相比，连续变量光量子芯片具有独特的优势，能够实现量子纠缠簇态的确定性且大规模的制备和调控，为量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展开辟了一条全新的技术路径。
2025年2月20日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组，与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表了一项突破性研究成果。该团队在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络和量子信息等领域的应用奠定了重要基础。研究团队通过创新性地发展超低损耗的连续变量光量子芯片调控技术和多色相干泵浦与探测技术，成功在氮化硅集成频率梳微环腔的真空压缩频率超模上确定性地制备出多比特纠缠簇态，并实现不同簇态纠缠结构的可重构调控。同时，团队利用van Loock-Furusawa判据实验违背和完备的nullifier关联矩阵测量，对连续变量簇态的纠缠结构进行了严格实验判定。这一研究成果不仅解决了以往集成光量子芯片面临的扩展性难题，还为未来实现更大尺度的量子纠缠与量子调控提供了新的技术路径。该成果标志着集成光量子芯片技术在量子信息处理领域的重要突破，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。
量子信息的基本单元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可分别通过离散变量和连续变量编码在光量子体系中实现，各具优缺点。例如，基于单光子的离散变量体系能够实现超高保真度的量子比特操作，但其面临的主要挑战是制备量子比特和量子纠缠存在概率性。根据现有技术手段，离散变量量子纠缠的制备成功率随比特数增加呈指数下降，这限制了其可扩展性。相比之下，基于光场正交分量编码的连续变量体系能够确定性产生量子比特和量子纠缠，尽管其操控保真度略低，却为大尺度光量子纠缠态的制备提供了一条极具前景的技术路径。
集成光量子芯片是一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。自2008年国际上实现首个离散变量集成光量子芯片以来，集成光子芯片材料和技术取得了显著进展，并在离散变量光量子信息领域发挥了重要作用。然而，连续变量集成光量子芯片的发展面临诸多挑战：一方面，集成光学参量放大过程要求芯片具备高光学非线性和低光学损耗等高性能；另一方面，对片上多模压缩光场与纠缠的机理理解不足，多模纠缠调控与验证也存在技术瓶颈。这些因素导致连续变量光量子芯片的研究长期处于起步阶段，其编码与纠缠的比特数仅限于单模或双模压缩态，而多模（多比特）量子纠缠态的片上制备与验证仍极具挑战性。此前，光量子芯片上的簇态纠缠研究主要集中在离散变量体系，确定性地制备大规模纠缠簇态面临巨大实验困难，而连续变量簇态的片上制备和验证技术在国际上仍属空白。
在本研究中，北京大学与山西大学联合团队首次在国际上实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、可重构调控与严格实验验证。这一突破性成果不仅填补了连续变量光量子芯片领域的关键技术空白，还为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有非常重要的意义。
图1 基于集成频率梳微腔的连续变量纠缠簇态制备、调控与探测原理与方案图
图1A展示了连续变量光量子芯片制备纠缠簇态的原理图。基于超低损耗氮化硅的集成频率梳微环腔，研究团队通过发展多色相干泵浦与探测技术，在光学参量振荡阈值以下激发真空压缩频率超模（即真空频率模式的线性叠加），确定性地制备出多比特纠缠簇态。团队采用多色相干泵浦方式，通过相位锁定的光学频率梳激发集成光学微腔中复杂的非线性效应，引入自发双模光场压缩和非线性布拉格散射两种主要物理过程。由于布拉格散射效应的存在，多色泵浦激发的真空频率模式之间形成了复杂的光场噪声关联，导致真空频率模式无法直接用于构建纠缠簇态。实验表明，簇态纠缠仅存在于频率超模的本征模式之间。这一结果通过实验测量的协方差矩阵得到了验证。同时，这也是利用三阶非线性过程与二阶非线性过程产生连续变量纠缠态的主要区别。图1B 连续变量光量子芯片测试平台、及其芯片实物图与器件电镜图。图1C展示了团队发展的多色相干泵浦与探测技术。该技术不仅可用于大尺度簇态的泵浦激发，还可利用多色本地振荡光场实现完整的量子态测量与分析。此外，通过调控多色本地振荡光场，团队能够对量子光场进行等效的任意线性操作，从而制备出具有不同纠缠结构的簇态。更重要的是，整个泵浦-操控-探测系统保持了相干性和全局相位的锁定，确保了纠缠簇态的高质量制备、调控与验证。
图2 不同纠缠结构的连续变量簇态实验结果：（A）Nullifier；(B) 不同纠缠结构簇态；（C）van Loock-Furusawa判据实验结果；（D）100MHz宽带纠缠判定
团队通过对集成微梳中非线性物理过程与连续变量纠缠机理的实验分析，结合所发展的相干泵浦-探测技术，在5~500 MHz频率边带范围内完成了光场噪声关联的完整测量与分析，并实验重构了多模纠缠态的协方差矩阵。利用部分转置判据，团队验证了八个频率模式的纠缠不可分性。在此基础上，通过精准调控多色本地振荡光对量子光场进行等效操作，团队成功制备出了四模链状、盒状、星状以及六模链状的多组分簇态纠缠（图2B），并在集成光量子芯片上观测到了近2 dB的nullifier压缩（图2A）。更重要的是，团队在实验中直接打破了上述不同纠缠结构簇态的van Loock-Furusawa判据（图2C），首次在有限压缩条件下实现了光芯片上纠缠簇态的成功制备。此外，团队还研究了不同纠缠结构簇态在不同频率边带的纠缠性质，发现在约100 MHz的边带带宽内，van Loock-Furusawa判据均被实验直接打破，进一步证明了连续变量光量子芯片在量子信息领域的巨大应用潜力。
连续变量簇态具有严格的定义，其成功制备需要经过严格实验验证。由于van Loock-Furusawa判据主要侧重于对nullifier的压缩进行分析，随着从双模纠缠到多模纠缠的转变，量子纠缠的结构复杂性发生了重大变化，仅仅依赖该判据无法全面解析所制备簇态的全部纠缠信息。为了严格证明并确定连续变量纠缠簇态的成功制备，尤其是在非线性过程复杂的集成微梳量子纠缠系统中，团队进一步对nullifier的噪声关联矩阵进行了全面的测量与分析。在早期实验中，团队仅通过线性操控量子光场的数据分析发现，nullifier之间存在显著的额外非对角噪声关联。这表明量子光场的纠缠信息并未完全包含在nullifier内，与簇态纠缠的对角噪声关联结构不符。通过对簇态制备过程对应代数结构的深入分析，团队提出了一种创新方法：通过同时精确调控泵浦条件（包括功率和失谐量）以及量子光场的线性操控，成功消除了簇态纠缠制备过程中nullifier的额外非对角噪声关联。最终，团队显著降低了不同簇态纠缠nullifier之间的非对角噪声关联（图3B：理论模拟，图3C：实验结果）。这一成果不仅严格证明了连续变量簇态的成功制备，还实现了对不同簇态纠缠结构的精确测量，为复杂量子纠缠态的制备与验证提供了新的方法。
值得一提的是，当前纠缠模式数目的限制主要来自集成微腔的尺度（即频率间隔）和多色泵浦光的数目。团队已成功解决了基础的科学问题，为未来实现更大规模簇态纠缠及其在量子信息处理中的应用奠定了重要的物理基础。面向大规模扩展主要依赖于工程技术的优化，例如，通过先进芯片加工技术制备更大尺度的微腔，以及利用相位锁定的光学频率梳进行激发等工程手段，可以显著提升纠缠态的规模和复杂度。
2024年4月，团队将研究成果投稿至《自然》，获得了审稿人的高度评价，并指出：“这项工作首次在光学芯片上实现连续变量多组分（多比特）量子纠缠，这一成果为可扩展量子信息处理奠定了重要里程碑”（This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。
图3 不同纠缠结构的连续变量簇态实验结果：nullifier非对角噪声关联矩阵