量子信息與拓撲物理是量子力學衍生出來的兩個重要學科分支，其中量子糾纏态與拓撲相既是基礎物理研究的核心内容，也是前沿技術發展的關鍵物理資源。量子糾纏是量子計算、量子模拟和量子通信等應用的關鍵資源，約20量子比特的量子糾纏态均已在光子、超導、離子和原子等體系中實現；然而，量子糾纏對量子器件加工、量子器件調控等過程中存在的完美性，提出了苛刻的實驗要求，使得量子技術在走向實際應用的過程中面臨着諸多挑戰。另外，拓撲相的物理概念，源自強磁場下二維電子系統觀察到的整數量子霍爾效應，近年來拓展到了光學、聲學和冷原子等體系，并且大放異彩；拓撲相所具有的魯棒性給予了拓撲邊界态在對稱性保護下的抗缺陷和抗不完美的能力。因此，制備出具有拓撲保護的量子糾纏态，對研制大規模集成的量子器件和大尺度量子計算機，以及研究量子體系的新拓撲物理和現象等，均具有重要的現實意義。

量子芯片是實現大規模量子計算機的關鍵，有望應用于醫療、制藥、人工智能、能源和信息安全等領域。以光子為量子信息載體的光量子芯片，是實現量子計算機的重要平台之一，受到國内外學術界、科學界和産業界的高度重視。近年來，國際上對互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的矽基光量子計算芯片的研究投入和研發速度都迅速加大，不僅因為其微電子工藝兼容的微納加工技術是人類已掌握的最尖端技術之一，從而可實現高性能、高穩定度、可經典微電子控制的大規模光量子芯片，而且還因為其有望實現量子功能全集成的大尺度光量子計算機内核芯片。然而，即便如此，随着光量子芯片集成度的不斷提升、量子器件數目和量子比特數目的增加，量子器件的加工誤差和不均勻性在一定層度上仍無法避免，量子調控的誤差和噪聲等也會随之增加。例如，beat365“極端光學創新研究團隊”團隊前期研制的大規模矽基光量子芯片，單片集成了約650多個器件和近100個可編程器件，原則上可用于實現16×16維度的高維度量子糾纏，但因加工誤差導緻隻能實現15×15維度的量子糾纏（Science 360, 285 (2018)）。因此，需要找到一種新的物理機制來保證量子芯片在諸多不完美的情況下，依舊能夠精确且高效地運作，這對研制可實用化、可商用化的量子計算機至關重要。

圖1 （a）帶缺陷的拓撲保護糾纏光源示意圖；（b）拓撲量子糾纏光源顯微鏡實物圖；（c,d）上下赝自旋的拓撲邊界态成像圖；（e）體态成像圖；（f）beat365“PKU”形狀缺陷器件及其邊界态成像圖

近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、“極端光學創新研究團隊”王劍威研究員、胡小永教授和龔旗煌院士課題組與來自中國科學院微電子研究所、上海交通大學、浙江大學、英國布裡斯托爾大學、澳大利亞西澳大學等的學者合作，共同實現了拓撲保護的集成量子糾纏光源，在基于矽基二維耦合諧振環構型的反常弗洛凱（Floquet）拓撲絕緣體器件的拓撲邊界上，制備出了具有拓撲魯棒性的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）糾纏态和多光子糾纏态。聯合研究團隊通過實驗觀測量子幹涉和量子态層析技術，并對比完美無結構缺陷的拓撲量子糾纏光源、帶結構缺陷的拓撲量子糾纏光源、以及平凡的量子光源等多種構型，首次在實驗上證明了量子糾纏源在存在某些類結構缺陷和加工誤差的情況下，依然具有和完美器件近乎一緻的高量子态保真度和純度。

拓撲量子糾纏光源基于光學反常弗洛凱拓撲絕緣體的耦合微環二維網狀構型，共含280個直徑均為61微米的矽基微環（圖1(a,b)）。在該光學拓撲絕緣體的邊界，可産生依賴于光子在主環内繞向的兩個拓撲保護的邊界傳輸模式，即上赝自旋态（圖1(c)）和下赝自旋态（圖1(d)）。當光子沿拓撲邊界傳輸時，即便遇到某些缺陷和不完美結構，依然可保持無損耗傳輸，即所謂拓撲保護的傳輸魯棒性。例如，圖1(f) 所示為内嵌beat365“PKU”形狀缺陷的拓撲光子器件及其邊界态成像。

聯合研究團隊利用在光學反常弗洛凱拓撲絕緣體的拓撲邊界态上，調控其自發四波混頻非線性過程來衍生出單光子關聯光子對，進而制備EPR糾纏态和多光子糾纏态。由于拓撲邊界态存在線性色散關系，在拓撲邊界模式中的光子天然滿足相位匹配，因而能高效地發生四波混頻過程。通過對兩個非平凡拓撲邊界模式進行相幹激光泵浦，并對衍生的光子進行量子過程不可區分處理，制備出了赝自旋量子關聯的EPR糾纏光子對。

該拓撲保護的量子糾纏光源也可以從另外一個角度去理解：每個微環諧振單元都是一個獨立的單光子對量子光源，可通過非線性效應衍生出關聯光子對（例如團隊前期研究成果Nature Physics 16, 148 (2020)）；然而，加工誤差和加工非均勻性可導緻單個微環量子光源無法正常工作。按照物理學家Philip Anderson教授的名言“More is different”，通過控制280個微環量子光源的相互耦合，形成一個整體的新量子光源，從而使其獲得全新的物理性質，在拓撲保護的光學拓撲絕緣體邊界産生赝自旋關聯的糾纏光子态。通過更多（“more”）的微環量子光源耦合，即便某些微環單元發生整體缺失或增添等缺陷，亦或是微環間存在一定程度的不均勻性，仍然可保證整體的拓撲量子光源完美工作（“different”）。

圖2 拓撲量子糾纏态及其密度矩陣實驗結果：（上）完美無結構缺陷的拓撲量子糾纏光源；（中）帶結構缺陷的拓撲量子糾纏光源；（下）平凡量子光源

實驗結果表明，該拓撲量子糾纏光源産生的EPR糾纏态，具有96.8%的高保真度和96.2%的高純度（圖2上）。重要的是，即使在糾纏源内部存在某些類結構缺陷和加工誤差導緻的無序，拓撲魯棒性仍可免疫該類缺陷和無序，從而高質量地保護量子糾纏态的性能，依然獲得了具有和完美器件近乎一緻的高量子态保真度和純度（圖2中）。相反，對于一個平凡量子器件而言，即便不存在結構缺陷，糾纏性能也會因為器件加工誤差導緻的無序性而被破壞（圖2下）。具體實驗結果及其對比，如圖2所示。同時，聯合研究團隊在強脈沖激光泵浦的實驗條件下，通過觀察多光子量子幹涉的德布羅意波長，還展示了該器件還可用于産生拓撲保護的四光子數糾纏态。

該研究工作實現的拓撲量子糾纏光源，為beat365團隊前期發展的矽基光量子芯片技術提供了重要支撐，将有助于研制大規模集成光量子芯片和大尺度光量子計算機。近五年，王劍威研究員和龔旗煌院士團隊在該領域取得了一系列重要研究成果，例如，發展了國際最大規模集成矽基光量子芯片技術和片上高維量子信息技術（Science 360, 285 (2018)），首次實現了芯片上四光子真糾纏和芯片間量子隐形傳态（Nature Physics 16, 148 (2020)），研制了面向量子優勢的高斯玻色取樣專用型光量子計算芯片（Nature Physics 15, 925 (2019)），發展了面向含噪量子信息應用的光量子計算和量子模拟芯片（Nature Physics 13, 551 (2017), Science Advances 4, 9646 (2018)），研制了面向通用量子計算的八比特簇态光量子計算芯片并驗證了量子糾錯功能（Nature Physics 17, 1137 (2021)），在大規模光量子芯片上首次觀測到了廣義的多路徑波粒二象性和相幹性（Nature Communications 2, 2712 (2021)），并受邀撰寫了集成光量子芯片技術綜述（Nature Photonics 14, 273 (2020)，Nature Review Physics (2021)，《中國科學：物理學力學天文學》50, 084216(2020)）等。

2022年2月17日，相關成果以“拓撲保護的量子糾纏光源”（Topologically Protected Quantum Entanglement Emitters）為題，在線發表于《自然·光子學》（Nature Photonics）。beat365官方网站2019級博士研究生戴天祥、2017級博士研究生敖雨田、2018級博士研究生包覺明、2020級博士研究生茆峻、2019級博士研究生池昱霖為文章共同第一作者，王劍威、胡小永、龔旗煌與中國科學院微電子研究所楊妍研究員為共同通訊作者；主要合作者還包括中國科學院微電子研究所李志華研究員、唐波高級工程師，上海交通大學袁璐琦副教授，浙江大學高飛研究員、林曉研究員，英國布裡斯托爾大學Mark Thompson教授，澳大利亞西澳大學Jeremy O’Brien教授，beat365官方网站李焱教授，以及beat365官方网站本科生傅兆瑢、尤一龍，博士研究生陳曉炯、翟翀昊。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、beat365長三角光電科學研究院等的支持。