中國科學技術大學郭光燦院士團隊在光量子晶片研究中取得重要進展，在國際上首次實作波導模式編碼量子邏輯門。
該團隊任希鋒研究組與浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅團隊合作，首次實作了片上波導模式編碼的兩比特量子邏輯門操作，相關成果近日發表在《實體評論快報》(Physical Review Letters)上。
圖檔來自《實體評論快報》(Physical Review Letters)
不論是經典還是量子資訊應用，都需要大幅提高光子晶片的資訊處理和通信能力，進而滿足日益增長的光通信和互聯需求。為了實作大規模光量子系統，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。而多模波導模式具有獨特的性質，如高維擴充性、緊湊性以及與其它自由度的任意相幹轉換等，這使得波導模式編碼在內建光子學領域中有着廣泛的前景。是以，近年來波導模式編碼備受關注。
此前，任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅團隊長期合作研究矽基光量子器件及晶片，并取得一系列重要進展。
2016年，上述團隊在國際首次将波導模式編碼用于量子資訊處理，實作了波導模式、偏振和路徑編碼糾纏态之間的相幹轉換。2019年，團隊首次實作波導模式編碼糾纏光源制備。2021年，團隊基于密集波導超晶格陣列，建構世界上最小尺寸的光學量子受控非(CNOT)門等。
光子波導模式編碼量子控制非門晶片示意圖，圖檔來自中科大
在此基礎上，本次研究中雙方進一步合作自主設計和研發波導模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等兩種新型多模光子器件，分别用于實作特定的模式相關耦合和模式相關衰減等功能，并進一步将這些新型光子功能器件單片內建，在國際上首次展示了波導模式編碼的兩比特受控非門控操作。該實驗中的量子受控非門能夠實作對兩個波導模式編碼量子比特的糾纏，平均保真度在0.87到0.91之間。
該成果為波導模式編碼的量子操作鋪平了道路，也可用于片上多自由度光量子資訊處理，為實作大規模光量子系統奠定了基礎。《實體評論快報》審稿人一緻認為這是一項重要的研究工作，并高度評價：“新發明的兩種器件TMDDC和MMA都很重要”，“我相信這個工作将在相應研究領域中提供必要工具”。
中科院量子資訊重點實驗室任希鋒教授、浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子資訊重點實驗室特任副研究員馮蘭天和浙江大學助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。