近日，beat365官方网站納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”楊起帆、龔旗煌課題組、現代光學研究所何瓊毅課題組與中科院物理所李貝貝課題組提出了在光學微腔上産生簇态量子微梳的實驗方案，通過精确調控多色泵浦激光，實現了大規模（60模）、可重構（1D、2D）量子簇态的确定性生成。相關研究成果以“大規模簇态量子微梳”（ Large-scale cluster quantum microcombs）為題，發表于《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）。

量子計算、通信和傳感等領域亟需大規模糾纏态，以同時控制海量量子單元，實現複雜運算、有效糾錯和安全量子網絡構建。大規模糾纏不僅為并行計算提供基礎，還增強了系統魯棒性，是實現實用化量子信息處理的關鍵。簇态是一種多體高度糾纏的量子狀态，其糾纏結構可用圖論描述——節點代表量子單元，邊代表它們之間的糾纏連接。簇态是測量驅動(單向)量子計算的核心資源，因為通過對各節點進行适當測量，即可推動整個計算過程，而無需頻繁施加量子門操作。簇态的一個關鍵指标是簇态包含的糾纏實體數目，糾纏數目越多，結合非高斯操作後帶來的指數級量子加速越強；此外不同的量子信息任務需求不同圖态結構的簇态，因此發展可重構簇态對發展通用型量子信息技術而言至關重要。

傳統上，量子簇态多依賴單光子離散變量體系，但單光子産生的概率性使規模長期僅限于十幾個光子。相比之下，基于連續變量（Continuous-variable，CV）能确定性生成量子簇态，是目前構造超大規模簇态最有前景的方案之一。光學微腔憑借近等間距的頻率模式和高非線性效率，可以通過頻域承載成千上萬的量子模式，有望成為構建大規模量子簇态的理想平台。

在本工作中，研究團隊提出利用克爾微腔中級聯三階非線性過程産生大規模連CV簇态量子光源的新方案，并在片上光學微腔中首次實現了最大規模簇态量子微梳的确定性産生：單色泵浦微腔實現3.1dB的雙模壓縮（圖1b），多色泵浦微腔産生最多60模式糾纏的一維和二維簇态（圖1cd），二者分别代表了迄今為止在光子芯片上生成的最高壓縮和最大規模的CV簇态（圖2）。3dB壓縮刷新了片上量子态壓縮度的實測記錄，推進了片上壓縮源的實用化進程；可重構、可擴展的簇态量子微梳，為其在量子計算、通訊和傳感等領域的實際應用提供了突破途徑。

圖1：（a）簇态量子微梳的基本原理。（b）EPR對正交分量的噪聲。灰線：散粒噪聲。（c）一維簇态的協方差矩陣。（d）二維簇态的協方差矩陣。

圖1a展示了簇态量子微梳的産生原理。團隊利用光學微腔内天然存在的近等間距光學頻率模式，借助高效的四波混頻效應，在微腔内同時産生大量的雙模壓縮——即兩兩糾纏的量子模式對。為實現多模糾纏，研究團隊設計了“主泵浦+輔助泵浦”的多色泵浦方案：

• 主泵浦：利用簡并四波混頻産生一組對稱分布的糾纏對；

• 輔助泵浦：與主泵相結合，通過非簡并四波混頻生成另一組對稱糾纏對。

這種方案使得在同一芯片微腔中，可以構造出既有一維鍊狀結構又有二維晶格狀的量子糾纏簇态，顯示出獨特的可重構性和規模優勢。進一步的，研究團隊利用鎖相的平衡零差檢測技術，直接測量了各個模态的正交變量，通過構建協方差矩陣，結合正偏置部分轉置判據（簡稱PPT判據，檢測量子糾纏），準确驗證所有糾纏鍊路的存在和穩定性，實現了對大規模簇态量子微梳的量子層析(圖1c,d)。

圖2：目前在芯片上産生的連續變量量子态的規模和壓縮度。

本工作的核心成果在于以下三方面。1.确定性生成高質量糾纏：利用連續變量方法，微腔内每個量子模式都能被均勻、穩定地糾纏起來，并且通過降低鍊路損耗實現了高達3dB的實測壓縮度，從而大大提升了糾纏生成的确定性和質量。2.可重構大規模簇态：由于光學微腔支持大量頻率模式，通過合理的泵浦設計，團隊成功構建出前所未有規模的多模量子簇态，既能形成一維鍊路，也能擴展為二維晶格，為未來量子計算和多用戶量子網絡提供豐富資源。3.片上平台優勢：核心器件光學微腔可以替代傳統桌面級參量振蕩器，體積小、穩定性高，且泵浦調控靈活，從而提供了極大的可擴展性。

這一成果不僅為驗證量子糾纏理論提供了全新的實驗平台，同時也有望為量子計算、量子通信以及量子傳感等實際應用提供片上光源平台。借助芯片級連續變量量子光源，未來有望構建出集成化、可擴展且高效的量子網絡，推動量子信息處理和傳輸能力邁向前所未有的水平。

beat365官方网站2020級博士研究生王澤、博士後李康康和2022級博士研究生王越為本文的共同第一作者，楊起帆研究員、何瓊毅教授、李貝貝研究員和博士後李康康為本文的共同通訊作者。研究工作得到了合肥國家實驗室、北京市自然基金、國家自然基金委的支持。