編譯：王汐

編輯：元子

【新智元導(dǎo)讀】以前的演示報(bào)告主要挑戰(zhàn)在于生產(chǎn)多個(gè)光亮、純凈和同質(zhì)的單光子，以及以高保真度糾纏多個(gè)光子量子位方面的重大挑戰(zhàn)。本研究測試了一些關(guān)鍵的功能，狀態(tài)的生產(chǎn)、控制和傳輸都是在微米級(jí)的硅芯片中完成的，由互補(bǔ)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制造，為量子計(jì)算和通信的可擴(kuò)展的片上多光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。戳右邊鏈接上新智元小程序 了解更多！

隨著2019年臨近尾聲，全面實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的旅程仍在繼續(xù)：物理學(xué)家首次證明兩個(gè)計(jì)算機(jī)芯片之間的量子隱形傳態(tài)。

簡而言之，這一突破意味著信息不是通過物理電路連接而是通過量子糾纏在芯片之間傳遞，通過將兩個(gè)粒子根據(jù)量子物理學(xué)原理用一個(gè)間隔（gap）連上來實(shí)現(xiàn)的。

我們還不了解有關(guān)量子糾纏的一切（這是阿爾伯特·愛因斯坦著名的"怪異動(dòng)作"還有譯作"幽靈行動(dòng)"的現(xiàn)象），即使到目前為止我們被局限在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，但能夠?qū)⒘孔蛹m纏應(yīng)用在計(jì)算機(jī)芯片之間發(fā)送信息上也是很有意義的。

"我們能夠在實(shí)驗(yàn)室中演示兩個(gè)芯片上高質(zhì)量的糾纏鏈接，讓兩個(gè)芯片上的量子共享一個(gè)量子態(tài)。"英國布里斯托大學(xué)的量子物理學(xué)家Dan Llewellyn丹.盧埃林解釋說，"每個(gè)芯片被完全通過編程執(zhí)行一系列糾纏演示。"

假設(shè)量子糾纏可以在任何距離上起作用，那兩個(gè)粒子密不可分地聯(lián)系在一起，這意味著無論一個(gè)粒子在哪里（這個(gè)例子中，是在單獨(dú)的計(jì)算機(jī)芯片上），它都可以告訴我們有關(guān)另一個(gè)粒子的一些信息。

為了獲得結(jié)果，研究小組生成了一對(duì)糾纏光子，以確保低干擾和高準(zhǔn)確性的方式對(duì)量子信息進(jìn)行編碼。最多四個(gè)量子位（傳統(tǒng)計(jì)算二進(jìn)制位的量子等效）鏈接在一起。

"旗艦演示是一個(gè)兩芯片的隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)粒子的單個(gè)量子態(tài)在量子測量完成后通過兩個(gè)芯片進(jìn)行傳送。"Llewellyn盧埃林說。

"這種測量利用了量子物理學(xué)的奇怪行為，在破壞了糾纏鏈接的同時(shí)，可以將粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了已經(jīng)存在的另一個(gè)粒子上。"

研究人員能夠進(jìn)行精確度達(dá)到91％的實(shí)驗(yàn)，幾乎所有信息都可以準(zhǔn)確地傳輸并記錄。

科學(xué)家越來越了解量子糾纏的工作原理，但目前還很難控制。這不是您可以安裝在筆記本電腦中的東西：您需要大量笨重且昂貴的科學(xué)設(shè)備才能使其正常工作。

但是，希望量子態(tài)在實(shí)驗(yàn)室里的進(jìn)步，有一天會(huì)促進(jìn)計(jì)算的進(jìn)步，使每個(gè)人都可以使用超強(qiáng)大的處理能力和具有內(nèi)置黑客保護(hù)功能的下一代互聯(lián)網(wǎng)。

低數(shù)據(jù)丟失和高穩(wěn)定性的隱形傳輸，以及科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的高度控制，這些都是很有希望的后續(xù)研究的對(duì)象。

另外，對(duì)于努力將量子物理學(xué)應(yīng)用到當(dāng)今計(jì)算機(jī)中使用的硅芯片（Si-chip）技術(shù)以及用于制造這些芯片的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)中來也是一項(xiàng)有用的研究。

北京大學(xué)量子物理學(xué)家王建偉表示："未來，集成了量子器件和經(jīng)典電子控件的單硅芯片將為完全基于芯片的CMOS兼容的量子通信和信息處理網(wǎng)絡(luò)打開大門。" 。

該項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在《自然物理學(xué)》上：《芯片中的芯片間量子隱形傳態(tài)和多光子糾纏》。

本研究為量子計(jì)算和通信的可擴(kuò)展的片上多光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)

開發(fā)半導(dǎo)體制造技術(shù)，能夠?qū)⑻烊惠d體諸如原子，電子和光子之類的量子信息嵌入可擴(kuò)展的集成設(shè)備中。集成光學(xué)器件為大規(guī)模量子信息處理和光子收發(fā)提供了通用的平臺(tái)。擴(kuò)大用于量子應(yīng)用的集成設(shè)備需要高性能的單光子生成和光子量子位-量子位糾纏操作。然而，以前的演示報(bào)告主要挑戰(zhàn)在于生產(chǎn)多個(gè)光亮、純凈和同質(zhì)的單光子，以及以高保真度糾纏多個(gè)光子量子位方面的重大挑戰(zhàn)。另一個(gè)值得注意的挑戰(zhàn)是在單個(gè)設(shè)備中無噪聲地連接多光子源和多量子位算子。

在這里，我們通過相干地控制微諧振器非線性單光子源和線性光學(xué)多量子位糾纏電路的集成網(wǎng)絡(luò)，展示了硅片上真正的多部分糾纏和量子隱形傳態(tài)。微諧振器經(jīng)過工程設(shè)計(jì)，可以局部增強(qiáng)非線性，產(chǎn)生與頻率無關(guān)的多個(gè)和難以區(qū)分的單光子，無需任何光譜過濾。

多量子位狀態(tài)在可編程線性電路中處理，便于鐘形投影和以測量為基礎(chǔ)的熔合操作。我們測試了一些關(guān)鍵的功能，例如量子態(tài)的晶片內(nèi)/晶片間的隱形傳態(tài)，以及四光子格林-霍恩-澤林格糾纏態(tài)的產(chǎn)生。

狀態(tài)的生產(chǎn)、控制和傳輸都是在微米級(jí)的硅芯片中完成的，由互補(bǔ)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制造。我們的工作為量子計(jì)算和通信的可擴(kuò)展的片上多光子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 硅中的微諧振器增強(qiáng)型多光子量子處理器。

a ，將非線性單光子源網(wǎng)絡(luò)和線性光學(xué)多量子位電路集成在一個(gè)硅片上。 在一個(gè)由四個(gè)MRR單光子源組成的陣列中，產(chǎn)生了兩對(duì)非簡并光子(紅色閑散子，藍(lán)色信號(hào))。MRR極大地增強(qiáng)了SFWM的非線性，并允許產(chǎn)生明亮，純凈和難以區(qū)分的光子，同時(shí)抑制來自所有波導(dǎo)和線性電路的背景噪聲。線性光學(xué)量子電路（O?）被編程為充當(dāng)玻色子貝爾算子以及兩個(gè)藍(lán)色光子的融合糾纏算子。四個(gè)光子通過非對(duì)稱MZI多路分解并通過波導(dǎo)交叉器路由（R?）。一個(gè)MZI和移相器的數(shù)組陣列允許多量子位狀態(tài)（P?）的準(zhǔn)備和投射測量（M?）。黃色部分以電子方式指代可控的熱光移相器。

b，耦合到總線波導(dǎo)的MRR單光子源的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（偽紅色），以及c，具有粘合鋁反射器的超表面輔助低損耗亞波長光柵耦合器（SGC）。頂部：用于光纖芯片的一維SGC界面。底部：用于路徑極化轉(zhuǎn)換的2D SGC，嵌入圖：超穎表面單元的放大視圖。白色箭頭表示光子的極化狀態(tài)。圖a中的星"*"是指用于單芯片(通過1D SGCs)或芯片對(duì)芯片(通過2D SGCs)實(shí)驗(yàn)的可切換路由器(未顯示)。

圖2 在MRR增強(qiáng)的非線性源陣列中近乎最佳的光子對(duì)生成。

a中，MRR的測量透射光譜（頂部）和非對(duì)稱MZI（底部），其中FSR_MRR = 400GHZ, FSR_AMZI=320GHZ。信號(hào)光子在λ_s=1539.758nm被創(chuàng)建，惰光子在λ_i=1559.015nm，在MRR共振被創(chuàng)建。非對(duì)稱MZI可以解復(fù)用λ_s和λ_i光子。剩余的泵浦光子被一個(gè)約1.1 nm帶寬的片外濾波器除去，這個(gè)帶寬比MRRs 37.7±1.9 pm的線寬寬得多。

b，共振時(shí)，MRR中的FWM增強(qiáng)。整個(gè)器件的背景噪聲得到有效抑制（失諧）。

c，通過測量預(yù)示的g（2）（0）來測試光子數(shù)純度。

d，測得的預(yù)示量子干擾的變化原始可見度，作為每個(gè)脈沖的平均光子數(shù)n的函數(shù)。V = 0.92虛線是我們的MRR設(shè)計(jì)。

e，減去多對(duì)事件的頻譜不可分辨性測試。獲得90.99+- 3.91％的可見度，與理論極限一致。

f，測得的陣列中成對(duì)MRR之間的量子干擾可見性。平均可見度分別為87.3 1.9％和71.9 2.4％，在有和沒有多對(duì)校正的情況下進(jìn)行測量。點(diǎn)都是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而d中的線是理論值，b，c和e中的線是擬合。所有誤差條均指從泊松光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估計(jì)的1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（s.d.）。

在這里，我們報(bào)告了一種多量子位量子處理器，該處理器通過相干控制微環(huán)諧振器（MRR）網(wǎng)絡(luò)（用于近乎最佳的光子生成）和線性光學(xué)電路（用于高保真多量子位操作）來實(shí)現(xiàn)。所有的非線性和線性量子器件都單片集成在硅中，并且可以單獨(dú)編程。我們對(duì)量子應(yīng)用中的關(guān)鍵協(xié)議進(jìn)行基準(zhǔn)測試，包括單量子位和貝爾狀態(tài)的芯片內(nèi)/芯片間傳送，以及芯片上生成的三光子和四光子Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）真正的糾纏態(tài)。

圖1a顯示了MRR增強(qiáng)型多量子位處理器，它是在絕緣體上硅平臺(tái)上制造。Si MRR源

陣列（見圖1b中的SEM圖像）可以產(chǎn)生兩對(duì)信號(hào)通過SFWM產(chǎn)生（ls）和惰輪（li）光子。四個(gè)雙軌量子位是編碼在四個(gè)生成的光子中。每個(gè)量子位

表示在邏輯基礎(chǔ)上并且可以由Mach-Zehnder干涉儀（MZI）和移相器組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行準(zhǔn)備和測量（見圖1a）。另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備是可編程的兩比特運(yùn)算符（O?），它能夠以貝爾投影和融合運(yùn)算兩種不同方式糾纏兩個(gè)量子比特（以前從未相互作用）。MRR，量子位生成器，糾纏運(yùn)算符和量子位分析器都是可單獨(dú)控制和完全可編程的。芯片通過低損耗（0.8 dB）1D SGC [30]陣列與光纖耦合（圖1c），并通過8個(gè)超導(dǎo)單光子檢測器在芯片外檢測光子（效率為0.85）。有關(guān)設(shè)備和設(shè)置的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見補(bǔ)充信息（SI）節(jié)。

每個(gè)MRR的品質(zhì)因數(shù)都大于104，從而在型腔中產(chǎn)生強(qiáng)大的SFWM增強(qiáng)。如圖2b所示，當(dāng)MRR開啟/關(guān)閉共振時(shí)，生成的雙光子速率提高了43倍。對(duì)于每個(gè)MRR，使用具有15 ps脈沖寬度，800 W重復(fù)頻率為500 MHz重復(fù)頻率的泵浦激光器，以巧合-偶然比50檢測到20 kcts / s的原始速率。由于MRR非線性源僅需要弱泵浦，因此在周圍的波導(dǎo)和電路中會(huì)產(chǎn)生可忽略的光子，從而極大地抑制了那里的噪聲。這意味著非線性和線性量子光子器件現(xiàn)在可以無噪聲地相互連接。我們通過執(zhí)行光子的Hanbury-Brown-Twiss測量以獲得預(yù)示的二階相關(guān)

，進(jìn)一步測量了單光子的光子數(shù)純度。在相同的功率下，我們觀察到

= 0.05對(duì)應(yīng)于95％的光子數(shù)純度（圖2c）。諧振器之后，所有四個(gè)MRR具有50％的較高預(yù)示效率（請(qǐng)參見SI第2節(jié)），與理論極限非常匹配。

四個(gè)MRR設(shè)計(jì)成相同的。高產(chǎn)量的制造實(shí)現(xiàn)了幾乎相同的自由光譜范圍（FSR 400 GHz，圖2a）和共振時(shí)的高光譜重疊（圖S5）。每個(gè)MRR可以單獨(dú)調(diào)諧和鎖頻（請(qǐng)參閱SI第2節(jié)），以確保在光譜模式下光子波函數(shù)高度重疊。光子的不可區(qū)分性是通過預(yù)言的兩光子量子干涉的可見性來估計(jì)的。我們干擾MZI上的兩個(gè)信號(hào)光子（導(dǎo)通兩個(gè)惰輪光子），它們是從兩個(gè)獨(dú)立的MRR發(fā)出的。圖2e報(bào)告了一個(gè)量子干擾條紋，其多對(duì)校正可見度為90.99 ±3.91％，這在我們的MRR設(shè)計(jì)（第2節(jié)）的92％光譜純度的基本極限誤差內(nèi)是一致的。在圖2d中，還測量了原始未經(jīng)校正的可見度隨每個(gè)脈沖的平均光子數(shù)（η）的變化，例如，在η= 0.05時(shí)獲得了84％的原始可見度。比較一下到光譜雜質(zhì)，光子數(shù)雜質(zhì)急劇增加影響可見性[31]。圖2f顯示了四個(gè)MRR源的成對(duì)可區(qū)分性，在高亮度配置中平均原始可見度為71.9 ±2.4％，如果多對(duì)校正，則原始可見度為87.3 ±1.9平均可見度。因此，我們證明了在多個(gè)MRR中產(chǎn)生高度相同的光子。值得注意的是，在我們所有的不可分辨性測量中，我們都沒有使用任何光譜過濾來提高光譜純度。

圖3 可編程線性光學(xué)量子電路用于貝爾投影和融合操作。a,一般算子圖解。b（c），貝爾（融合）算子圖解。源陣列中產(chǎn)生可編程為二部糾纏的狀態(tài)，如d，e。f, g當(dāng)兩個(gè)藍(lán)色量子位在貝爾算子和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)量子位相遇的量子接口。h，i 當(dāng)貝爾（融合）算子在d，e狀態(tài)時(shí)的重建的密度矩陣。

通過控制MRR和重新配置非對(duì)稱MZI對(duì)MRR源陣列進(jìn)行編程以創(chuàng)建任一糾纏或可分離的二分態(tài)，如圖3所示。我們實(shí)施量子狀態(tài)層析成像（QST）來重建密度矩陣。作為示例，圖3d，e顯示了保真度分別為0.964± 0.072和0.966± 0.024的可分離狀態(tài)。我們同時(shí)從四個(gè)MRR中準(zhǔn)備并測量了兩個(gè)貝爾對(duì)，其保真度分別為0.917 ±0.002和0.915 ±0.003。然后，我們利用單個(gè)可編程電路來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子應(yīng)用中的關(guān)鍵多量子位運(yùn)算，即糾纏最初可分離的量子比特和以Bell為基礎(chǔ)的測量量子比特。圖3b，c顯示了專為雙軌量子比特設(shè)計(jì)的貝爾投影和融合運(yùn)算符的示意圖。

我們研究了一種情況，首先準(zhǔn)備初始化狀態(tài)，然后用光子1、4的先驅(qū)處理ρ2,3。請(qǐng)注意，光刻定義的設(shè)備可確保光子2、3的子波長精度內(nèi)的路徑匹配，并確保他們同時(shí)到達(dá)?。貝爾能夠?qū)⒇悹枲顟B(tài)與其他狀態(tài)區(qū)分開。在這里，我們?cè)谟^察{D3，D4}或{D5，D6}中的聯(lián)合點(diǎn)擊（圖3b）。融合傳輸<0>并交換<1>模式，當(dāng)在{D3，D4}中僅檢測到一個(gè)光子而在{D5，D6}中僅檢測到一個(gè)光子時(shí)，能夠?qū)蓚€(gè)量子比特的可分離狀態(tài)融合為糾纏狀態(tài)（圖3c）。為了驗(yàn)證這些新的片上構(gòu)建模塊，執(zhí)行了預(yù)言量子干擾和貝爾狀態(tài)生成。

圖3f報(bào)告了兩個(gè)量子比特（<10>2,3）的干擾，使量子比特2圍繞thesy軸逐漸旋轉(zhuǎn)。觀察到的80.5 ± 3.2％的可見性證實(shí)了bo鐘兩個(gè)玻色子的高質(zhì)量干擾。圖3g顯示了當(dāng)繞z軸旋轉(zhuǎn)量子位2時(shí)，在融合時(shí)的兩個(gè)量子位干擾具有85.8±4.4％的可見度。最終我們獲得了分別具有0.851 ± 0.040和0.830 ± 0.032保真度的糾纏態(tài)。

圖4 通過對(duì)非線性微諧振器和線性電路的編程，實(shí)現(xiàn)片上多光子糾纏和片內(nèi)/片間的隱形傳態(tài)。a，通過使用貝爾測量量子位2,3的任意單量子位態(tài)的瞬間傳送。b, 兩個(gè)鐘對(duì)的兩個(gè)量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)距傳態(tài)(糾纏交換). c ,三光子和四光子GHZ糾纏態(tài)的產(chǎn)生。d, 芯片內(nèi)單量子位隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。e， 雙量子糾纏交換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。f-h，驗(yàn)證和量化GHZ真正的糾纏。i，相干項(xiàng)的期望值。

結(jié)論

我們已經(jīng)提出了能夠產(chǎn)生，處理和收發(fā)多量子位態(tài)的硅光子量子器件。非線性多光子源和線性多量子位電路自然而然地與低噪聲接口，并在單個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行相干控制，其中每個(gè)部分都可以單獨(dú)編程。多種MRR增強(qiáng)型光子源正接近最佳純度，可分辨性和先驅(qū)效率水平。我們已經(jīng)在量子計(jì)算和通信中執(zhí)行了基本協(xié)議，展示了我們的設(shè)備進(jìn)行多量子位糾纏和傳送的能力。實(shí)現(xiàn)了前所未有的高保真量子運(yùn)算，例如，保真度為0.90的隱形傳態(tài)是最高的。將來，通過設(shè)計(jì)諧振器可以進(jìn)一步提高光源的預(yù)示效率，并且可以保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)免受制造的光子光譜的影響。連同已開發(fā)的多路復(fù)用技術(shù)，我們的資料將允許近乎確定性地產(chǎn)生單光子。此外，硅具有集成電子和光子學(xué)的獨(dú)特能力，有望實(shí)現(xiàn)量子電路的大規(guī)模集成及其有效的量子控制。同時(shí)擴(kuò)大光子的數(shù)量和三維將使有機(jī)光學(xué)具有更大的希爾伯特空間。

總的來說，我們的演示為在硅中量子非線性和線性光學(xué)器件的復(fù)雜集成鋪平了道路，這可以為研究量子光子，計(jì)算，物理和生化系統(tǒng)提供一個(gè)可擴(kuò)展且通用的平臺(tái)。