光子盒研究院
量子网络旨在通过量子信道相干连接的量子节点网状结构中传输、存储和处理量子信息，超越了经典互联网的能力。它有许多应用前景，如用于安全通信的量子密钥分发（QKD）、更高精度的时钟同步、分布式量子计量和分布式量子计算等。升级当前QKD网络的关键，是实现能够在大量远程量子节点之间稳健共享复杂纠缠态的纠缠网络。实现大规模和实用的量子纠缠网络在实验上仍具有挑战性。它需要可扩展的量子硬件、技术和架构，以便通过大容量量子通道在大量量子节点之间分配纠缠态。量子光子集成电路是量子信息处理和通信的新兴硬件系统。迄今为止，利用集成光子芯片，已经在单芯片对单芯片系统中演示了点对点QKD和纠缠分发，并将单微波谐振器用作QKD和网络的光子源。网络中的全面集成量子节点需要全谱单片集成器件，用于光量子态的编码、解码、复用、操作和检测。与单芯片或单芯片对单芯片的量子实验相比，实现多芯片量子网络仍然具有挑战性，因为它不仅需要不同器件的单片集成，还需要不同芯片之间的高量子不可分性，以实现可扩展的量子网络。同时，实用的量子网络需要大容量和抗噪声的纠缠传输。众所周知，多维量子系统是极佳的候选系统之一，但在穿越多模光纤（MMF）或空气散射通道等复杂介质时容易受到环境扰动的影响。因此，不可避免地会发生状态扰乱和纠缠退化。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间的高维量子纠缠网络。这一量子网络芯片是利用大规模可制造技术在硅纳米光子量子电路上制造、三对多维纠缠光子在一个服务器芯片上产生，并通过少模光纤（FMF）在三个量子节点芯片上相干分布。
“Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability”。北京大学物理学院2019级博士研究生郑赟、2021级博士研究生翟翀昊、浙江大学光电科学与工程学院/杭州国际科创中心刘大建博士为共同第一作者，浙江大学戴道锌教授与北京大学王剑威研究员为共同通讯作者。主要合作者还包括：中国科学院微电子研究所杨妍研究员、唐波高级工程师、李志华研究员；北京大学李焱教授、龚旗煌教授；香港中文大学Hon Ki Tsang教授；北京大学物理学院博士研究生茆峻、陈晓炯、戴天祥、黄洁珊、包觉明、傅兆瑢以及香港中文大学、香港科技大学的合作者。
具体来说，团队开发了一种量子纠缠检索（QER）方法，克服了非单元模式扰乱和纠缠退化，有效地恢复了分布在多芯片网络上的多维纠缠态。该网络通过对光子的波长、路径、模式和偏振态进行混合编码和复用来实现。
多芯片多维纠缠网络架构。(A)全连接纠缠网络的图示。它由一个中央服务器芯片、n个量子节点芯片（顶点）、n个多模量子通道（红边）和量子关联（灰边）组成。所有节点芯片可以通过共享最初在服务器芯片上产生的n(n - 1)/2对不同波长的d维纠缠光子完全连接起来。每个多模通道携带n - 1个波长多路复用的单光子，在一个节点芯片上接收和处理。在实验中，团队搭建了一个n = 3和d = 4的纠缠网络原型。(B) 混合编码和多路复用纠缠光子。纠缠光子从一个宽带光源进行波长解复用，然后通过节点芯片之间的MMF进行纠缠分发的再复用。在每个波长上，d维量子态在芯片上进行路径编码，并在光纤中相干地转换为混合偏振模编码态。
上图所示的 200 毫米晶片包含至少 27 个相同的量子网络芯片。实验团队小规模地展示了第一个多芯片多维纠缠网络、三个节点芯片和一个服务器芯片之间通过三个FMF连接。为了实现纠缠网络架构，混合复用器件被单片集成。网络芯片允许单光子的波长复用和解复用；路径编码的多维纠缠态的生成、操作和测量；以及在FMF中向混合偏振模编码态的相干转换。为实现可扩展性，芯片需要宽光谱和模态带宽、大制造容差和整个晶片的高均匀性。尽管MMF具有巨大的信息容量，但在这些复杂介质中传播的光会经历麻烦的衰减，导致模式扰乱和纠缠退化。在实验和大多数实际系统中，信道的传输矩阵（包括本研究中的路径到模式转换和芯片到光纤接口）通常是乱码的。这是由MMF中不可避免的模式损耗和串扰造成的，因为光纤弯曲、扭曲或拉伸，以及接口处的模式失配。因此，团队实现了一种QER方法，可以从任何复杂散射过程中主动检索多维纠缠。通过全光实现QER，网络可以自我训练其可控芯片（节点和服务器）来检索多维纠缠，而无需重建通道矩阵和矩阵处理。QER包括两个阶段：经典信道解扰（CCU）算法和量子振幅平衡（QAB）策略。
然后，团队通过长时间监测串扰矩阵来测量整个系统的稳定性。无论是在芯片上还是在FMF或它们的接口上，任何状态旋转的发生都可以通过这种测量方法监测到。结果显示，其在24小时内观察到波动低于±2.5%，表明多维芯片-光纤-芯片量子系统稳定良好。
跨多个硅芯片的多维纠缠分布的实验验证。
此次实验中，团队利用硅光子混合复用技术演示了一种可检索的多芯片多维量子纠缠网络。混合编码和复用器件的所有频谱都被单片集成在芯片上，在电路复杂性和功能性方面提供了最复杂的集成量子光子器件之一。
网络架构、集成量子器件、MMF通道和纠缠检索技术的可扩展性已得到证明和验证。在未来现实世界的长距离量子网络中，导致MMF中模式串扰和相位漂移的环境噪声可以通过在硅片中使用光的快速切换和检测进行实时全光校正。这一工作指向了用于量子信息处理和通信的、基于芯片的大规模量子纠缠网络的实际实现。
上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥量子国家实验室、浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室等大力支持。
每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！