苏晓龙教授团队在《自然》期刊合作发表突破性研究成果
近日，山西大学光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室苏晓龙教授课题组，联合北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授与龚旗煌教授课题组，在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）上发表了一项突破性研究成果。研究团队成功实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、调控和实验验证，为连续变量量子信息技术的应用奠定了坚实基础。这一突破填补了连续变量光量子芯片领域的空白，并开辟了大规模量子纠缠制备和操控的新技术路径，为连续变量量子计算和量子网络的实用化奠定了技术基础。
簇态作为一种特殊的量子纠缠态，能够在多个量子比特之间建立复杂的量子纠缠，是实现高效量子计算和量子网络的关键。集成光量子芯片作为一种新兴技术，能够在微纳米尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息，然而，传统的量子光子芯片在制备大规模纠缠簇态时面临着巨大挑战，随着比特数的增加，量子纠缠的制备成功率呈指数下降，严重限制了其应用的扩展。与离散变量光量子芯片不同，连续变量光量子芯片因其确定性产生的特点能够更高效地实现大规模量子纠缠的制备和操控，是量子信息领域的重要发展方向。
图1. 基于集成频率梳微腔的连续变量多组份纠缠态制备、调控与探测示意图
研究团队创新性地研发了超低损耗调控技术和多色相干泵浦与探测技术，通过自发双模光场压缩和非线性布拉格散射两种主要物理过程，在光学参量振荡阈值以下激发真空压缩频率超模，制备了不同纠缠结构的簇态，见图1。团队通过严谨的实验重构了多模纠缠态的协方差矩阵，验证了八个频率模式的纠缠特性。通过有效消除实验中由于非对角噪声引起的干扰，在制备的四模链状、盒状、星状以及六模链状的多组份簇态纠缠中观测到了近2 dB的nullifier压缩，并打破了上述不同纠缠结构簇态的van Loock-Furusawa判据。这一结果标志着集成光量子芯片在有限压缩条件下实现了纠缠簇态的确定性制备。
该研究成功解决了集成光量子芯片制备簇态的基础物理问题，不仅推动了光量子芯片在量子信息领域的应用发展，也为量子计算、量子网络和量子模拟等前沿科技的实用化提供了坚实的技术基础。当前纠缠模式数目的限制主要来自集成微腔的尺度（即频率间隔）和多色泵浦光的数目等工程性难题。随着芯片加工技术的不断进步，量子纠缠的规模和复杂度将在未来得到显著提升。
北京大学物理学院贾新宇、翟翀昊、山西大学光电研究所朱学志为论文共同第一作者；山西大学苏晓龙教授和北京大学王剑威教授为共同通讯作者；主要合作者还包括北京大学电子学院常林研究员、北京大学龚旗煌教授、以及北京大学和山西大学的其他合作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030 “量子通信与量子计算机”重大项目、北京市自然科学基金、山西省基础研究计划、山西省“1331工程”重点学科建设基金，以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学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等的大力支持。
