中国科学技术大学郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展，在国际上首次实现波导模式编码量子逻辑门。
该团队任希锋研究组与浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌团队合作，首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作，相关成果近日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)
不论是经典还是量子信息应用，都需要大幅提高光子芯片的信息处理和通信能力，从而满足日益增长的光通信和互联需求。为了实现大规模光量子系统，多光子、多自由度和高维编码是必然途径。而多模波导模式具有独特的性质，如高维扩展性、紧凑性以及与其它自由度的任意相干转换等，这使得波导模式编码在集成光子学领域中有着广泛的前景。因此，近年来波导模式编码备受关注。
此前，任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队长期合作研究硅基光量子器件及芯片，并取得一系列重要进展。
2016年，上述团队在国际首次将波导模式编码用于量子信息处理，实现了波导模式、偏振和路径编码纠缠态之间的相干转换。2019年，团队首次实现波导模式编码纠缠光源制备。2021年，团队基于密集波导超晶格阵列，构建世界上最小尺寸的光学量子受控非(CNOT)门等。
光子波导模式编码量子控制非门芯片示意图，图片来自中科大
在此基础上，本次研究中双方进一步合作自主设计和研发波导模式耦合器（TMDDC）、模式衰减器（MMA）等两种新型多模光子器件，分别用于实现特定的模式相关耦合和模式相关衰减等功能，并进一步将这些新型光子功能器件单片集成，在国际上首次展示了波导模式编码的两比特受控非门控操作。该实验中的量子受控非门能够实现对两个波导模式编码量子比特的纠缠，平均保真度在0.87到0.91之间。
该成果为波导模式编码的量子操作铺平了道路，也可用于片上多自由度光量子信息处理，为实现大规模光量子系统奠定了基础。《物理评论快报》审稿人一致认为这是一项重要的研究工作，并高度评价：“新发明的两种器件TMDDC和MMA都很重要”，“我相信这个工作将在相应研究领域中提供必要工具”。
中科院量子信息重点实验室任希锋教授、浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天和浙江大学助理研究员张明为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。