2025年2月20日，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組與山西大學蘇曉龍教授課題組合作，在國際頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表一項以“基于集成光量子頻率梳芯片的連續(xù)變量多體量子糾纏”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）為題的突破性研究成果。

該團隊在國際上首次實現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量簇態(tài)量子糾纏，為光量子芯片的大規(guī)模擴展及其在量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。研究團隊通過創(chuàng)新性地發(fā)展超低損耗的連續(xù)變量光量子芯片調(diào)控技術(shù)和多色相干泵浦與探測技術(shù)，成功在氮化硅集成頻率梳微環(huán)腔的真空壓縮頻率超模上確定性地制備出多比特糾纏簇態(tài)，并實現(xiàn)不同簇態(tài)糾纏結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)調(diào)控。同時，團隊利用van Loock-Furusawa判據(jù)實驗違背和完備的nullifier（零化子）關(guān)聯(lián)矩陣測量，對連續(xù)變量簇態(tài)的糾纏結(jié)構(gòu)進行了嚴格實驗判定。這一研究成果不僅解決了以往集成光量子芯片面臨的擴展性難題，還為未來實現(xiàn)更大尺度的量子糾纏與量子調(diào)控提供了新的技術(shù)路徑。該成果標志著集成光量子芯片技術(shù)在量子信息處理領(lǐng)域的重要突破，為量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)的實用化發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

量子信息的基本單元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可統(tǒng)稱為量子比特。它們可分別通過離散變量和連續(xù)變量編碼在光量子體系中實現(xiàn)，各具優(yōu)缺點。例如，基于單光子的離散變量體系能夠?qū)崿F(xiàn)超高保真度的量子比特操作，但其面臨的主要挑戰(zhàn)是制備量子比特和量子糾纏存在概率性。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)手段，離散變量量子糾纏的制備成功率隨比特數(shù)增加呈指數(shù)下降，這限制了其可擴展性。相比之下，基于光場正交分量編碼的連續(xù)變量體系能夠確定性產(chǎn)生量子比特和量子糾纏，盡管其操控保真度略低，卻為大尺度光量子糾纏態(tài)的制備提供了一條極具前景的技術(shù)路徑。

集成光量子芯片是一種能夠在微納尺度上編碼、處理、傳輸和存儲光量子信息的先進平臺。自2008年國際上實現(xiàn)首個離散變量集成光量子芯片以來，集成光子芯片材料和技術(shù)取得了顯著進展，并在離散變量光量子信息領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，連續(xù)變量集成光量子芯片的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)：一方面，集成光學參量放大過程要求芯片具備高光學非線性和低光學損耗等高性能；另一方面，對片上多模壓縮光場與糾纏的機理理解不足，多模糾纏調(diào)控與驗證也存在技術(shù)瓶頸。這些因素導(dǎo)致連續(xù)變量光量子芯片的研究長期處于起步階段，其編碼與糾纏的比特數(shù)僅限于單模或雙模壓縮態(tài)，而多模（多比特）量子糾纏態(tài)的片上制備與驗證仍極具挑戰(zhàn)性。

糾纏簇態(tài)作為一種典型的多比特量子糾纏態(tài)，在量子信息科學中具有極其重要的地位。簇態(tài)不僅是單向量子計算的核心資源，還在量子糾錯和容錯量子計算中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時為量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了重要支持，并可用于模擬復(fù)雜的多體量子系統(tǒng)。盡管簇態(tài)糾纏的重要性已被廣泛認可，但其大規(guī)模制備技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。此前，光量子芯片上的簇態(tài)糾纏研究主要集中在離散變量體系，確定性地制備大規(guī)模糾纏簇態(tài)面臨巨大實驗困難，而連續(xù)變量簇態(tài)的片上制備和驗證技術(shù)在國際上仍屬空白。

在本研究中，研究團隊首次在國際上實現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的確定性制備、可重構(gòu)調(diào)控與嚴格實驗驗證。這一突破性成果不僅填補了連續(xù)變量光量子芯片領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)空白，還為大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備與操控提供了全新的技術(shù)路徑，對推動量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子模擬等領(lǐng)域的實用化發(fā)展具有非常重要的意義。

圖1A展示了連續(xù)變量光量子芯片制備糾纏簇態(tài)的原理圖。基于超低損耗氮化硅的集成頻率梳微環(huán)腔，研究團隊通過發(fā)展多色相干泵浦與探測技術(shù)，在光學參量振蕩閾值以下激發(fā)真空壓縮頻率超模（即真空頻率模式的線性疊加），并確定性地制備出多比特簇態(tài)糾纏。集成光學微腔中的復(fù)雜非線性效應(yīng)由相位鎖定的光學頻率梳激發(fā)，這種多色泵浦方式引入了自發(fā)雙模光場壓縮和非線性布拉格散射兩種主要物理過程。由于布拉格散射效應(yīng)的存在，多色泵浦激發(fā)的真空頻率模式之間形成了復(fù)雜的光場噪聲關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致真空頻率模式無法直接用于構(gòu)建糾纏簇態(tài)。實驗表明，簇態(tài)糾纏僅存在于頻率超模的本征模式之間，這一結(jié)果通過實驗測量的協(xié)方差矩陣得到了驗證。同時，這也是利用三階非線性過程與二階非線性過程產(chǎn)生連續(xù)變量糾纏態(tài)的主要區(qū)別。圖1B展示了實驗測試平臺及芯片實物圖：(a) 連續(xù)變量光量子芯片測試平臺實物圖，芯片的輸入輸出端通過透鏡光纖耦合，同時使用直流探針接觸片上電極以加載電流實現(xiàn)波長鎖定；(b) 微環(huán)諧振器器件實物圖；(c)?微環(huán)諧振腔波導(dǎo)切面圖，波導(dǎo)寬度經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)近零色散，從而最大化非線性強度；(d) 微環(huán)諧振腔耦合區(qū)切面圖，耦合區(qū)間距經(jīng)過精確設(shè)計以實現(xiàn)高逃逸效率。圖1C展示了團隊開發(fā)的多色相干泵浦與探測技術(shù)。該技術(shù)不僅可用于大尺度簇態(tài)的泵浦激發(fā)，還可利用多色本地振蕩光場實現(xiàn)完整的量子態(tài)測量與分析。此外，通過調(diào)控多色本地振蕩光場，團隊能夠?qū)α孔庸鈭鲞M行等效的任意線性操作，從而制備出具有不同糾纏結(jié)構(gòu)的簇態(tài)。更重要的是，整個泵浦-操控-探測系統(tǒng)保持了相干性和全局相位的鎖定，確保了糾纏簇態(tài)的高質(zhì)量制備、調(diào)控與驗證。

圖2. 不同糾纏結(jié)構(gòu)的連續(xù)變量簇態(tài)實驗結(jié)果：（A）Nullifier；(B)?不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)；（C）van Loock-Furusawa判據(jù)實驗結(jié)果；（D）100MHz寬帶糾纏判定。

團隊通過對集成微梳中非線性物理過程與連續(xù)變量糾纏機理的實驗分析，結(jié)合所發(fā)展的相干泵浦-探測技術(shù)，在5~500 MHz頻率邊帶范圍內(nèi)完成了光場噪聲關(guān)聯(lián)的完整測量與分析，并實驗重構(gòu)了多模糾纏態(tài)的協(xié)方差矩陣。利用部分轉(zhuǎn)置判據(jù)，團隊驗證了八個頻率模式的糾纏不可分性。在此基礎(chǔ)上，通過精準調(diào)控多色本地振蕩光對量子光場進行等效操作，團隊成功制備出了四模鏈狀、盒狀、星狀以及六模鏈狀的多組分簇態(tài)糾纏（圖2B），并在集成光量子芯片上觀測到了近2 dB的nullifier壓縮（圖2A）。更重要的是，團隊在實驗中直接打破了上述不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)的van Loock-Furusawa判據(jù)（圖2C），首次在有限壓縮條件下實現(xiàn)了光芯片上糾纏簇態(tài)的成功制備。此外，團隊還研究了不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)在不同頻率邊帶的糾纏性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在約100 MHz的邊帶帶寬內(nèi)，van Loock-Furusawa判據(jù)均被實驗直接打破，進一步證明了連續(xù)變量光量子芯片在量子信息領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

連續(xù)變量簇態(tài)具有嚴格的定義，其成功制備需要經(jīng)過嚴格實驗驗證。由于van Loock-Furusawa判據(jù)主要側(cè)重于對nullifier的壓縮進行分析，隨著從雙模糾纏到多模糾纏的轉(zhuǎn)變，量子糾纏的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性發(fā)生了重大變化，僅僅依賴該判據(jù)無法全面解析所制備簇態(tài)的全部糾纏信息。為了嚴格證明并確定連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的成功制備，尤其是在非線性過程復(fù)雜的集成微梳量子糾纏系統(tǒng)中，團隊進一步對nullifier的噪聲關(guān)聯(lián)矩陣進行了全面的測量與分析。在早期實驗中，團隊僅通過線性操控量子光場的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，nullifier之間存在顯著的額外非對角噪聲關(guān)聯(lián)。這表明量子光場的糾纏信息并未完全包含在nullifier內(nèi)，與簇態(tài)糾纏的對角噪聲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)不符。通過對簇態(tài)制備過程對應(yīng)代數(shù)結(jié)構(gòu)的深入分析，團隊提出了一種創(chuàng)新方法：通過同時精確調(diào)控泵浦條件（包括功率和失諧量）以及量子光場的線性操控，成功消除了簇態(tài)糾纏制備過程中nullifier的額外非對角噪聲關(guān)聯(lián)。最終，團隊顯著降低了不同簇態(tài)糾纏nullifier之間的非對角噪聲關(guān)聯(lián)（見圖3B：理論模擬，圖3C：實驗結(jié)果）。這一成果不僅嚴格證明了連續(xù)變量簇態(tài)的成功制備，還實現(xiàn)了對不同簇態(tài)糾纏結(jié)構(gòu)的精確測量，為復(fù)雜量子糾纏態(tài)的制備與驗證提供了新的方法論。

值得一提的是，當前糾纏模式數(shù)目的限制主要來自集成微腔的尺度（即頻率間隔）和多色泵浦光的數(shù)目。團隊已成功解決了基礎(chǔ)的科學問題，為未來實現(xiàn)更大規(guī)模簇態(tài)糾纏及其在量子信息處理中的應(yīng)用奠定了重要的物理基礎(chǔ)。面向大規(guī)模擴展主要依賴于工程技術(shù)的優(yōu)化，例如，通過先進芯片加工技術(shù)制備更大尺度的微腔，以及利用相位鎖定的光學頻率梳進行激發(fā)等工程手段，可以顯著提升糾纏態(tài)的規(guī)模和復(fù)雜度。

北京大學集成量子光學實驗室（Q-chip Lab）長期致力于集成量子光學和量子信息研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中，團隊成功發(fā)展了晶圓級硅基大規(guī)模集成的光量子芯片加工和操控技術(shù)，實現(xiàn)了基于離散變量光量子芯片的高維度糾纏[Science 360, 285(2018)]、多光子糾纏[Nature Physics 16, 148(2020)]、圖/超圖糾纏[Nature Communications 15, 2601 (2024)]、拓撲保護的量子糾纏[Nature Photonics 16, 248 (2022)]，并進一步實現(xiàn)了玻色取樣專用型光量子計算芯片[Nature Physics 15, 925(2019)]、通用型簇態(tài)光量子計算芯片[Nature Physics 17, 1137(2021)]、圖論型量子計算芯片[Nature Photonics 17, 573(2023)]、高維量子計算芯片[Nature Communications 13, 1166 (2022)]、多芯片間高維糾纏量子網(wǎng)絡(luò)[Science 381, 221 (2023)]、拓撲物態(tài)量子模擬芯片[Nature Materials 2, 928 (2024)，Nature Physics 20, 101 (2024)]等。

自2018年建組以來，Q-chip Lab團隊便重點關(guān)注連續(xù)變量光量子芯片研究。本項研究成果的取得，離不開團隊賈新宇、翟翀昊、游暢、鄭赟、傅兆瑢等成員，多年來的不懈努力與堅持。特別是2020級博士生賈新宇，從2019年本科大四開始便投身于這一領(lǐng)域，本科畢業(yè)論文以《片上連續(xù)變量糾纏光源研究》為題進行了理論分析與設(shè)計。在隨后的五年博士生涯中，他始終專注于這一研究方向，歷經(jīng)四輪器件設(shè)計加工、測試系統(tǒng)搭建與優(yōu)化，終于在2022年8月實驗得到單/雙模壓縮態(tài)，并于2023年4月獲得頻率域糾纏的初步實驗結(jié)果。與此同時，2021級博士生翟翀昊在前期實驗基礎(chǔ)上，從理論上深入研究了集成微環(huán)諧振腔內(nèi)三階非線性過程產(chǎn)生模式糾纏的物理機制以及頻率邊帶響應(yīng)規(guī)律，建立了多模糾纏的完整分析驗證方法，并提出了消除nullifier非對角噪聲關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新方案。團隊成員在理論與實驗之間緊密合作，相繼發(fā)展了基于超模的簇態(tài)制備與調(diào)控、多色相干泵浦探測技術(shù)、量子光場線性調(diào)控等關(guān)鍵理論與技術(shù)。2024年4月，團隊將研究成果投稿至《自然》，獲得了審稿人的高度評價，并指出：“這項工作首次在光學芯片上實現(xiàn)多比特連續(xù)變量量子糾纏，這一成果為可擴展量子信息處理奠定了重要里程碑”（This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。審稿過程中，團隊成員經(jīng)歷了無數(shù)個晝夜的實驗、分析、討論，甚至前后三次推翻原有所有方案并重頭開始。最終，團隊嚴格證明了糾纏簇態(tài)的成功制備與判定，五年磨一劍，成功報道了國際上首個基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)。這一突破性成果的取得，離不開團隊成員在科學前沿研究中的堅持與努力，也展現(xiàn)了團隊在面對挑戰(zhàn)時的團結(jié)與智慧。

北京大學物理學院2020級博士研究生賈新宇、2021級博士研究生翟翀昊、山西大學2021級博士研究生朱學志為文章共同第一作者。蘇曉龍、王劍威為共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學電子學院常林研究員，龔旗煌，物理學院博士研究生游暢、傅兆瑢、茆峻、戴天祥（現(xiàn)為香港大學博士后），物理學院國家博新博士后鄭赟以及北京大學電子學院、山西大學的合作者。

本項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030 “量子通信與量子計算機”重大項目、北京市自然科學基金、山西省基礎(chǔ)研究計劃、山西省“1331工程”重點學科建設(shè)基金，以及北京大學人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、北京量子信息科學研究院、山西大學光量子技術(shù)與器件全國重點實驗室、山西大學極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學納光電子前沿科學中心、北京大學長三角光電科學研究院、合肥量子國家實驗室等的大力支持。

論文原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1

（轉(zhuǎn)自：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)）