北大/浙大等今日Science: 能够纠缠修复能力的多芯片高维量子网络

发布时间：2023-07-14 11:35:51 所属栏目：动态来源：

导读：特别是近年来，量子信息技术飞速发展，有望在量子计算、超导通信、传感和高质量成像等领域获得越来越多超越经典现实世界的信息技术的重要应用。通过将多个量子节点进行相干量子互联，构建功能更为强大的量子网络是当

特别是近年来，量子信息技术飞速发展，有望在量子计算、超导通信、传感和高质量成像等领域获得越来越多超越经典现实世界的信息技术的重要应用。通过将多个量子节点进行相干量子互联，构建功能更为强大的量子网络是当前国际上的研究重点之一。集成光量子芯片为量子网络的构建提供了重要的硬件平台，通过将大量复杂的量子器件进行芯片上集成，有望发展出大规模且实用化的量子芯片网络。

近日，北京大学、浙江大学、中国科学院微电子所、香港中文大学、香港科技大学的合作团队，实现了集成光量子芯片件的高维量子纠缠网络这个信息聚集的领域。合作研究团队发展了硅基光量子芯片晶圆级制造、片上多维混合复用量子调控等关键技术及核心器件，提出了一种高维量子纠缠自修复方法，可快速恢复在复杂介质传输中已退化的高维纠缠，最终实现了多芯片高维纠缠量子网络，为进一步构建大规模量子网络开辟了新路径。2023年7月14日，相关研究成果以“具有纠缠修复能力的多芯片高维量子网络”（Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability）为题，发表在Science上。

量子网络是量子通信、时频同步、分布式量子计算和量子传感等领域的重要基础支撑。大规模量子网络的构建关键在于如何实现大规模量子节点之间的复杂量子纠缠态分发与传输。其挑战在于：量子网络架构以及量子硬件必须具备强扩展性，同时能够有力地支持大容量量子通道中高维纠缠量子态的高保真相干传输。此前，基于波分复用的量子纠缠网络架构方案已有报道，有望用于大规模量子纠缠的网络分发，但尚缺少可扩展量子硬件的支撑。利用集成化的量子光学芯片可以获得高度的可控制性、强的自定义能力以及小型化和节约成本的特点，这使得它成为出色的工具来达成各种量子信息的处理、运算及通讯需求，并有助于建立大规模的量子网络。

面向未来大规模量子网络需求，亟需发展高性能芯片化量子节点技术，实现量子态产生、编码、解码、复用、操控、探测和存储等功能的一体化集成，保证最终仍具备量子态高保真度，并使之具备大规模扩展能力。值得注意的是，利用具有高信息容量和强抗噪能力的高维量子态进行量子信息的传输与处理具有重要意义，受到高度重视。与传统二维量子比特编码（如基于偏振或时间等自由度）不同的是，高维量子态进一步利用多模光波导/光纤的横向模式等新自由度进行编码，具有与经典光纤通信兼容等突出优点。可是，当我们在复杂的物质里传播模组化的量子态的时候，会很容易因为外部的干扰而影响到其状态；这导致我们能够进行更高维度的、相对更稳妥的信息传送变得有限起来。

针对高维量子网络发展需求，研究团队创新设计了具有大容差、大带宽等优异特性的硅基光量子器件，并发展了光量子芯片晶圆级制造工艺，成功研制了宽带量子光源、波分复用高阶微环阵列、任意可编程光量子线性网络、路径-偏振-模式相干转化的多模波导光栅等核心器件，且具有晶圆级高一致性和高扩展性，展现了构建大规模网络的突出潜力。基于此，团队进一步实现了高协同、可扩展的量子网络中心芯片和量子节点芯片。

（编辑：汽车网）

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