beat365官方网站現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”的王劍威研究員和龔旗煌教授團隊與浙江大學戴道鋅教授團隊等合作研究，實現了集成光量子芯片間的高維量子糾纏網絡。合作研究團隊發展了矽基光量子芯片晶圓級制造、片上多維混合複用量子調控等關鍵技術及核心器件，提出了一種高維量子糾纏自修複方法，可快速恢複在複雜介質傳輸中已退化的高維糾纏，最終實現了多芯片高維糾纏量子網絡，為進一步構建大規模、可實用化量子網絡開辟了新路徑。2023年7月14日，相關成果以“具有糾纏修複能力的多芯片高維量子網絡”（Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability）為題，發表于《科學》（Science）雜志。

量子網絡是量子通信、時頻同步、分布式量子計算和量子傳感等領域的重要基礎支撐。大規模量子網絡的構建關鍵在于如何實現大規模量子節點之間的複雜量子糾纏态分發與傳輸。其挑戰在于，量子網絡架構以及量子硬件必須具備強擴展性，同時能夠有力地支持大容量量子通道中高維糾纏量子态的高保真相幹傳輸。此前，基于波分複用的量子糾纏網絡架構方案已有報道，有望用于大規模量子糾纏的網絡分發，但尚缺少可擴展量子硬件的支撐。而集成量子光學芯片具有高可控性、強可編程性、小尺寸和低成本等優勢，是實現量子信息處理、計算和通信等功能的優異平台，也被認為是實現大規模量子網絡的關鍵硬件基礎。

面向未來大規模量子網絡需求，亟需發展高性能芯片化量子節點技術，實現量子态産生、編碼、解碼、複用、操控、探測和存儲等功能的一體化集成，保證最終仍具備量子态高保真度，并使之具備大規模擴展能力。值得注意的是，利用具有高信息容量和強抗噪能力的高維量子态進行量子信息的傳輸與處理具有重要意義，受到高度重視。高維量子态進一步利用多模光波導/光纖的橫向模式等新自由度進行編碼，具有高通信容量、與經典光纖通信兼容等突出優點。然而，模式編碼的量子态在複雜介質中傳輸時易受到外界環境擾動的影響，緻使高維量子态的高保真相幹傳輸受到了限制。

beat365團隊聚焦于矽基集成量子光學研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中發展了片上高維光量子糾纏的制備和調控技術[Science 360, 285(2018)]，實現了兩芯片間的量子隐形傳态[Nature Physics 16, 148(2020)]，驗證了高維體系的廣義波粒二象性和相幹性[Nature Communications 2, 2712(2021)]，演示了可編程高維度量子計算芯片[Nature Communications 13, 1166(2022)]，實現了大規模集成的拓撲保護量子糾纏光源[Nature Photonics 16, 248(2022)]，演示了玻色取樣專用型量子計算芯片[Nature Physics 15, 925(2019)]以及簇态通用型量子計算芯片[Nature Physics 17, 1137(2021)]，實現了超大規模集成的圖論光量子信息處理和計算芯片[Nature Photonics 17, 573(2023)]等。團隊多年工作積累為多芯片高維量子網絡的實現提供了重要基礎。

在該項研究工作中，研究團隊發展了片上多維混合複用量子調控技術，采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造技術自主研制了可大規模制造且具有晶圓級高一緻性的矽基集成光量子器件與芯片，構建了多芯片高維量子網絡。同時，提出和發展了一種高維量子糾纏自修複方法，可快速恢複在複雜介質中傳輸時已退化的高維糾纏，最終實現了多個光量子芯片間的高維量子糾纏相幹分發功能。

圖1 多芯片高維量子糾纏網絡架構。

圖1A為多芯片高維度量子糾纏網絡架構示意圖。對于一個n用戶（圖1A頂點）的全連接量子網絡，需要n(n-1)/2個具有量子關聯的光子對來進行連接（圖1A灰色邊）。利用片上多維混合複用技術，d維的糾纏光子對可以由光子的橫向模式和偏振自由度進行混合編碼（圖1B），并通過波分複用技術在一根多模光纖信道中（圖1A紅色邊）複用n-1組光子。在該網絡中，多個糾纏光子對的同時分發由波分複用技術來實現，而芯片間高維糾纏态相幹傳輸則通過片上路徑編碼以及多模光纖偏振-模式混合編碼來實現。

圖2 量子網絡芯片的晶圓實物圖和線路示意圖。

針對高維量子網絡發展需求，研究團隊創新設計了具有大容差、大帶寬等優異特性的矽基光量子器件，并發展了光量子芯片晶圓級制造工藝，成功研制了寬帶量子光源、波分複用高階微環陣列、任意可編程光量子線性網絡、路徑-偏振-模式相幹轉化的多模波導光栅等核心器件，且具有晶圓級高一緻性和高擴展性，展現了構建大規模網絡的突出潛力。基于此，團隊進一步實現了高全同、可擴展的量子網絡中心芯片和量子節點芯片（圖2A-2B）。

同時，研究團隊針對複雜介質中高維量子态極易受到外界環境擾動影響而不能高保真相幹傳輸的問題，創新性地提出了一種高維量子糾纏自修複方法。與此前測量-反演方法修複量子态（即重構出複雜介質傳輸矩陣并施加逆傳輸矩陣）截然不同的是，本項研究工作發展了一種無需重構傳輸矩陣且可實時修複複雜量子信道中高維糾纏的技術。在此，通過編程并調控中心量子芯片和節點量子芯片的線性量子器件和量子光源陣列，即可有效修複已退化的高維量子糾纏态。圖3A-3C為所測得的量子糾纏恢複實驗結果，包括：模間串擾修複（圖3A）、芯片-光纖-芯片系統穩定性長時測試（圖3B）以及修複量子态重構密度矩陣（圖3C），成功實現了多個光量子芯片間的高維量子糾纏相幹分發功能。

圖3. 高維量子糾纏恢複（A）、系統穩定性測試（B）及多芯片間量子糾纏分發（C）。

beat365官方网站2019級博士研究生鄭赟、2021級博士研究生翟翀昊、浙江大學光電科學與工程學院/杭州國際科創中心劉大建博士為共同第一作者，浙江大學戴道鋅教授與beat365王劍威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楊妍研究員、唐波高級工程師、李志華研究員；beat365李焱教授、龔旗煌教授；香港中文大學Hon Ki Tsang教授；beat365官方网站博士研究生茆峻、陳曉炯、戴天祥、黃潔珊、包覺明、傅兆瑢以及香港中文大學、香港科技大學的合作者。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃以及beat365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、合肥量子國家實驗室等大力支持。

論文原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9210