量子芯片新突破：北大王建偉等首次證明芯片間量子隱形傳態和多光子糾纏

• 2020 年 2 月 11 日
• 筆記

【新智元導讀】以前的演示報告主要挑戰在於生產多個光亮、純凈和同質的單光子，以及以高保真度糾纏多個光子量子位方面的重大挑戰。本研究測試了一些關鍵的功能，狀態的生產、控制和傳輸都是在微米級的硅芯片中完成的，由互補的金屬-氧化物-半導體工藝製造，為量子計算和通信的可擴展的片上多光子技術奠定了基礎。戳右邊鏈接上 新智元小程序 了解更多！

隨着2019年臨近尾聲，全面實現量子計算的旅程仍在繼續：物理學家首次證明兩個計算機芯片之間的量子隱形傳態。

簡而言之，這一突破意味着信息不是通過物理電路連接而是通過量子糾纏在芯片之間傳遞，通過將兩個粒子根據量子物理學原理用一個間隔（gap）連上來實現的。

我們還不了解有關量子糾纏的一切（這是阿爾伯特·愛因斯坦著名的"怪異動作"還有譯作"幽靈行動"的現象），即使到目前為止我們被局限在實驗室環境內，但能夠將量子糾纏應用在計算機芯片之間發送信息上也是很有意義的。

"我們能夠在實驗室中演示兩個芯片上高質量的糾纏鏈接，讓兩個芯片上的量子共享一個量子態。"英國布里斯託大學的量子物理學家Dan Llewellyn丹.盧埃林解釋說，"每個芯片被完全通過編程執行一系列糾纏演示。"

假設量子糾纏可以在任何距離上起作用，那兩個粒子密不可分地聯繫在一起，這意味着無論一個粒子在哪裡（這個例子中，是在單獨的計算機芯片上），它都可以告訴我們有關另一個粒子的一些信息。

為了獲得結果，研究小組生成了一對糾纏光子，以確保低干擾和高準確性的方式對量子信息進行編碼。最多四個量子位（傳統計算二進制位的量子等效）鏈接在一起。

"旗艦演示是一個兩芯片的隱形傳態實驗，一個粒子的單個量子態在量子測量完成後通過兩個芯片進行傳送。"Llewellyn盧埃林說。

"這種測量利用了量子物理學的奇怪行為，在破壞了糾纏鏈接的同時，可以將粒子狀態轉移到了已經存在的另一個粒子上。"

研究人員能夠進行精確度達到91％的實驗，幾乎所有信息都可以準確地傳輸並記錄。

科學家越來越了解量子糾纏的工作原理，但目前還很難控制。這不是您可以安裝在筆記本電腦中的東西：您需要大量笨重且昂貴的科學設備才能使其正常工作。

但是，希望量子態在實驗室里的進步，有一天會促進計算的進步，使每個人都可以使用超強大的處理能力和具有內置黑客保護功能的下一代互聯網。

低數據丟失和高穩定性的隱形傳輸，以及科學家們在實驗室的高度控制，這些都是很有希望的後續研究的對象。

另外，對於努力將量子物理學應用到當今計算機中使用的硅芯片（Si-chip）技術以及用於製造這些芯片的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術中來也是一項有用的研究。

北京大學量子物理學家王建偉表示："未來，集成了量子器件和經典電子控件的單硅芯片將為完全基於芯片的CMOS兼容的量子通信和信息處理網絡打開大門。" 。

該項研究已經發表在《自然物理學》上：《芯片中的芯片間量子隱形傳態和多光子糾纏》。

本研究為量子計算和通信的可擴展的片上多光子技術奠定了基礎

開發半導體製造技術，能夠將天然載體諸如原子，電子和光子之類的量子信息嵌入可擴展的集成設備中。集成光學器件為大規模量子信息處理和光子收發提供了通用的平台。擴大用於量子應用的集成設備需要高性能的單光子生成和光子量子位-量子位糾纏操作。然而，以前的演示報告主要挑戰在於生產多個光亮、純凈和同質的單光子，以及以高保真度糾纏多個光子量子位方面的重大挑戰。另一個值得注意的挑戰是在單個設備中無噪聲地連接多光子源和多量子位算子。

在這裡，我們通過相干地控制微諧振器非線性單光子源和線性光學多量子位糾纏電路的集成網絡，展示了硅片上真正的多部分糾纏和量子隱形傳態。微諧振器經過工程設計，可以局部增強非線性，產生與頻率無關的多個和難以區分的單光子，無需任何光譜過濾。

多量子位狀態在可編程線性電路中處理，便於鐘形投影和以測量為基礎的熔合操作。我們測試了一些關鍵的功能，例如量子態的晶片內/晶片間的隱形傳態，以及四光子格林-霍恩-澤林格糾纏態的產生。

狀態的生產、控制和傳輸都是在微米級的硅芯片中完成的，由互補的金屬-氧化物-半導體工藝製造。我們的工作為量子計算和通信的可擴展的片上多光子技術奠定了基礎。

圖1 硅中的微諧振器增強型多光子量子處理器。

a，將非線性單光子源網絡和線性光學多量子位電路集成在一個硅片上。在一個由四個MRR單光子源組成的陣列中，產生了兩對非簡併光子(紅色閑散子，藍色信號)。MRR極大地增強了SFWM的非線性，並允許產生明亮，純凈和難以區分的光子，同時抑制來自所有波導和線性電路的背景噪聲。線性光學量子電路（Oˆ）被編程為充當玻色子貝爾算子以及兩個藍色光子的融合糾纏算子。四個光子通過非對稱MZI多路分解並通過波導交叉器路由（Rˆ）。一個MZI和移相器的數組陣列允許多量子位狀態（Pˆ）的準備和投射測量（Mˆ）。黃色部分以電子方式指代可控的熱光移相器。

b，耦合到總線波導的MRR單光子源的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（偽紅色），以及c，具有粘合鋁反射器的超表面輔助低損耗亞波長光柵耦合器（SGC）。頂部：用於光纖芯片的一維SGC界面。底部：用於路徑極化轉換的2D SGC，嵌入圖：超穎表面單元的放大視圖。白色箭頭表示光子的極化狀態。圖a中的星"*"是指用於單芯片(通過1D SGCs)或芯片對芯片(通過2D SGCs)實驗的可切換路由器(未顯示)。

圖2 在MRR增強的非線性源陣列中近乎最佳的光子對生成。

a中，MRR的測量透射光譜（頂部）和非對稱MZI（底部），其中FSR_MRR = 400GHZ, FSR_AMZI=320GHZ。信號光子在λ_s=1539.758nm被創建，惰光子在λ_i=1559.015nm，在MRR共振被創建。非對稱MZI可以解復用λ_s和λ_i光子。剩餘的泵浦光子被一個約1.1 nm帶寬的片外濾波器除去，這個帶寬比MRRs 37.7±1.9 pm的線寬寬得多。

b，共振時，MRR中的FWM增強。整個器件的背景噪聲得到有效抑制（失諧）。

c，通過測量預示的g（2）（0）來測試光子數純度。

d，測得的預示量子干擾的變化原始可見度，作為每個脈衝的平均光子數n的函數。V = 0.92虛線是我們的MRR設計。

e，減去多對事件的頻譜不可分辨性測試。獲得90.99+- 3.91％的可見度，與理論極限一致。

f，測得的陣列中成對MRR之間的量子干擾可見性。平均可見度分別為87.3 1.9％和71.9 2.4％，在有和沒有多對校正的情況下進行測量。點都是實驗數據，而d中的線是理論值，b，c和e中的線是擬合。所有誤差條均指從泊松光子計數統計數據估計的1個標準偏差（s.d.）。

在這裡，我們報告了一種多量子位量子處理器，該處理器通過相干控制微環諧振器（MRR）網絡（用於近乎最佳的光子生成）和線性光學電路（用於高保真多量子位操作）來實現。所有的非線性和線性量子器件都單片集成在硅中，並且可以單獨編程。我們對量子應用中的關鍵協議進行基準測試，包括單量子位和貝爾狀態的芯片內/芯片間傳送，以及芯片上生成的三光子和四光子Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）真正的糾纏態。

圖1a顯示了MRR增強型多量子位處理器，它是在絕緣體上硅平台上製造。Si MRR源

陣列（見圖1b中的SEM圖像）可以產生兩對信號通過SFWM產生（ls）和惰輪（li）光子。四個雙軌量子位是編碼在四個生成的光子中。每個量子位

表示在邏輯基礎上並且可以由Mach-Zehnder干涉儀（MZI）和移相器組成的網絡進行準備和測量（見圖1a）。另一個關鍵設備是可編程的兩比特運算符（Oˆ），它能夠以貝爾投影和融合運算兩種不同方式糾纏兩個量子比特（以前從未相互作用）。MRR，量子位生成器，糾纏運算符和量子位分析器都是可單獨控制和完全可編程的。芯片通過低損耗（0.8 dB）1D SGC [30]陣列與光纖耦合（圖1c），並通過8個超導單光子檢測器在芯片外檢測光子（效率為0.85）。有關設備和設置的詳細信息，請參見補充信息（SI）節。

每個MRR的品質因數都大於104，從而在型腔中產生強大的SFWM增強。如圖2b所示，當MRR開啟/關閉共振時，生成的雙光子速率提高了43倍。對於每個MRR，使用具有15 ps脈衝寬度，800 W重複頻率為500 MHz重複頻率的泵浦激光器，以巧合-偶然比50檢測到20 kcts / s的原始速率。由於MRR非線性源僅需要弱泵浦，因此在周圍的波導和電路中會產生可忽略的光子，從而極大地抑制了那裡的噪聲。這意味着非線性和線性量子光子器件現在可以無噪聲地相互連接。我們通過執行光子的Hanbury-Brown-Twiss測量以獲得預示的二階相關

，進一步測量了單光子的光子數純度。在相同的功率下，我們觀察到

= 0.05對應於95％的光子數純度（圖2c）。諧振器之後，所有四個MRR具有50％的較高預示效率（請參見SI第2節），與理論極限非常匹配。

四個MRR設計成相同的。高產量的製造實現了幾乎相同的自由光譜範圍（FSR 400 GHz，圖2a）和共振時的高光譜重疊（圖S5）。每個MRR可以單獨調諧和鎖頻（請參閱SI第2節），以確保在光譜模式下光子波函數高度重疊。光子的不可區分性是通過預言的兩光子量子干涉的可見性來估計的。我們干擾MZI上的兩個信號光子（導通兩個惰輪光子），它們是從兩個獨立的MRR發出的。圖2e報告了一個量子干擾條紋，其多對校正可見度為90.99 ±3.91％，這在我們的MRR設計（第2節）的92％光譜純度的基本極限誤差內是一致的。在圖2d中，還測量了原始未經校正的可見度隨每個脈衝的平均光子數（η）的變化，例如，在η= 0.05時獲得了84％的原始可見度。比較一下到光譜雜質，光子數雜質急劇增加影響可見性[31]。圖2f顯示了四個MRR源的成對可區分性，在高亮度配置中平均原始可見度為71.9 ±2.4％，如果多對校正，則原始可見度為87.3 ±1.9平均可見度。因此，我們證明了在多個MRR中產生高度相同的光子。值得注意的是，在我們所有的不可分辨性測量中，我們都沒有使用任何光譜過濾來提高光譜純度。

圖3 可編程線性光學量子電路用于貝爾投影和融合操作。a,一般算子圖解。b（c），貝爾（融合）算子圖解。源陣列中產生可編程為二部糾纏的狀態，如d，e。f, g當兩個藍色量子位在貝爾算子和旋轉兩個量子位相遇的量子接口。h，i 當貝爾（融合）算子在d，e狀態時的重建的密度矩陣。

通過控制MRR和重新配置非對稱MZI對MRR源陣列進行編程以創建任一糾纏或可分離的二分態，如圖3所示。我們實施量子狀態層析成像（QST）來重建密度矩陣。作為示例，圖3d，e顯示了保真度分別為0.964± 0.072和0.966± 0.024的可分離狀態。我們同時從四個MRR中準備並測量了兩個貝爾對，其保真度分別為0.917 ±0.002和0.915 ±0.003。然後，我們利用單個可編程電路來實現兩個量子應用中的關鍵多量子位運算，即糾纏最初可分離的量子比特和以Bell為基礎的測量量子比特。圖3b，c顯示了專為雙軌量子比特設計的貝爾投影和融合運算符的示意圖。

我們研究了一種情況，首先準備初始化狀態，然後用光子1、4的先驅處理ρ2,3。請注意，光刻定義的設備可確保光子2、3的子波長精度內的路徑匹配，並確保他們同時到達Ô。貝爾能夠將貝爾狀態與其他狀態區分開。在這裡，我們在觀察{D3，D4}或{D5，D6}中的聯合點擊（圖3b）。融合傳輸<0>並交換<1>模式，當在{D3，D4}中僅檢測到一個光子而在{D5，D6}中僅檢測到一個光子時，能夠將兩個量子比特的可分離狀態融合為糾纏狀態（圖3c）。為了驗證這些新的片上構建模塊，執行了預言量子干擾和貝爾狀態生成。

圖3f報告了兩個量子比特（<10>2,3）的干擾，使量子比特2圍繞thesy軸逐漸旋轉。觀察到的80.5 ± 3.2％的可見性證實了bo鍾兩個玻色子的高質量干擾。圖3g顯示了當繞z軸旋轉量子位2時，在融合時的兩個量子位干擾具有85.8±4.4％的可見度。最終我們獲得了分別具有0.851 ± 0.040和0.830 ± 0.032保真度的糾纏態。

圖4 通過對非線性微諧振器和線性電路的編程，實現片上多光子糾纏和片內/片間的隱形傳態。a，通過使用貝爾測量量子位2,3的任意單量子位態的瞬間傳送。b, 兩個鍾對的兩個量子糾纏態的遠距傳態(糾纏交換). c ,三光子和四光子GHZ糾纏態的產生。d, 芯片內單量子位隱形傳態的實驗結果。e， 雙量子糾纏交換的實驗結果。f-h，驗證和量化GHZ真正的糾纏。i，相干項的期望值。

結論

我們已經提出了能夠產生，處理和收發多量子位態的硅光子量子器件。非線性多光子源和線性多量子位電路自然而然地與低噪聲接口，並在單個系統中進行相干控制，其中每個部分都可以單獨編程。多種MRR增強型光子源正接近最佳純度，可分辨性和先驅效率水平。我們已經在量子計算和通信中執行了基本協議，展示了我們的設備進行多量子位糾纏和傳送的能力。實現了前所未有的高保真量子運算，例如，保真度為0.90的隱形傳態是最高的。將來，通過設計諧振器可以進一步提高光源的預示效率，並且可以保護拓撲結構免受製造的光子光譜的影響。連同已開發的多路復用技術，我們的資料將允許近乎確定性地產生單光子。此外，硅具有集成電子和光子學的獨特能力，有望實現量子電路的大規模集成及其有效的量子控制。同時擴大光子的數量和三維將使有機光學具有更大的希爾伯特空間。

總的來說，我們的演示為在硅中量子非線性和線性光學器件的複雜集成鋪平了道路，這可以為研究量子光子，計算，物理和生化系統提供一個可擴展且通用的平台。