《電子技術(shù)應(yīng)用》
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中國(guó)科大等成功研制硅基導(dǎo)模量子集成光學(xué)芯片

2016-06-24

  中國(guó)科學(xué)院院士,、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次研制成功硅基導(dǎo)膜量子集成芯片,。該實(shí)驗(yàn)室任希鋒研究組近日在量子集成光學(xué)芯片研究中取得新進(jìn)展,,他們和浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授戴道鋅合作,,在硅光子集成芯片上首次利用硅納米光波導(dǎo)本征模式作為量子信息編碼的新維度,,實(shí)現(xiàn)了單光子態(tài)和量子糾纏態(tài)在偏振,、路徑,、波導(dǎo)模式等不同自由度之間的相干轉(zhuǎn)換,,其干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%,,為集成量子光學(xué)芯片上光子多個(gè)自由度的操縱和轉(zhuǎn)換提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù),。相關(guān)成果于6月20日發(fā)表在《自然·通訊》上[naturecommunications7,articlenumber11985(2016)]。論文并列第一作者是中國(guó)科大博士生馮蘭天,、博士后周志遠(yuǎn)和浙江大學(xué)博士生張明,。

  與自由空間光學(xué)、光纖光學(xué)相比,,集成光學(xué)的器件及系統(tǒng)具有尺寸小,、可擴(kuò)展、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn),,因而在經(jīng)典光學(xué)和量子信息領(lǐng)域都受到了廣泛關(guān)注,。在以往集成量子光學(xué)芯片研究中,人們通常采用偏振自由度或路徑自由度,,即利用不同偏振或不同路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)量子信息編碼,。其中,偏振編碼僅能實(shí)現(xiàn)二維量子信息過(guò)程,,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高維編碼,,因而在信息容量和安全性方面存在明顯不足;路徑編碼雖然可實(shí)現(xiàn)高維量子信息過(guò)程,,但為了防止不同路徑信息之間的串?dāng)_,,其路徑間距通常較大,極大地制約了量子光學(xué)芯片集成度的提升和功能擴(kuò)展,。

  任希鋒研究組和合作者首次提出采用多模波導(dǎo)的本征模式作為編碼量子信息的新自由度,。利用一條支持多個(gè)波導(dǎo)模式的多模波導(dǎo)有望實(shí)現(xiàn)量子信息高維編碼。例如,,對(duì)于寬度約2.4微米的soi光波導(dǎo),,即可支持8個(gè)導(dǎo)模,對(duì)應(yīng)于8維光子信息編碼,。特別是這些模式之間相互正交,,有效避免了信息串?dāng)_問(wèn)題。與此同時(shí),,還可以在量子信息過(guò)程中同時(shí)利用光子的多個(gè)自由度,,從而顯著提升信息容量。研究人員利用新型硅基片上模式轉(zhuǎn)化器和模式復(fù)用器,,成功實(shí)現(xiàn)了偏振,、路徑和波導(dǎo)模式自由度之間的任意相干轉(zhuǎn)換,單光子和雙光子的干涉可見(jiàn)度均超過(guò)90%,,充分展示了在集成量子光學(xué)芯片中同時(shí)操縱多個(gè)自由度的可能性,,為實(shí)現(xiàn)集成量子光學(xué)芯片中高維量子信息過(guò)程奠定了重要基礎(chǔ)。

  該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委,、中科院,、科技部、教育部以及中國(guó)科大,、浙江大學(xué)的資助,。


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