中國科學技術大學郭光燦院士團隊在光量子晶片研究中取得重要進展。該團隊任希鋒研究組與浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅團隊合作，國際首次實現了片上波導模式編碼的兩位元量子邏輯閘操作，相關成果於2月11日在國際知名學術期刊《物理評論快報》發表。
經典和量子資訊應用都需要大幅提高光子晶片的資訊處理和通訊能力，從而滿足日益增長的光通訊和互聯的需求。為了實現大規模光量子系統，多光子、多自由度和高維編碼是必然途徑。多模波導模式具有獨特性質，如高維擴充套件性、緊湊性以及與其它自由度的任意相干轉換等，這使得波導模式編碼在整合光子學領域中有著廣泛的前景。因此，近年來波導模式編碼備受關注。
任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅團隊長期合作致力於矽基光量子器件及晶片研究並取得系列重要進展：（1）國際上首次將波導模式編碼用於量子資訊處理，實現了波導模式、偏振和路徑編碼糾纏態之間的相干轉換（Nat Commun 7, 11985, 2016）；（2）首次實現波導模式編碼糾纏光源製備（npj Quantum Inf 5, 2, 2019）；（3）基於密集波導超晶格陣列構建世界上最小尺寸的光學量子受控非門（Phys Rev Lett.126.130501 （2021））等。在此基礎上，雙方進一步合作自主設計和研製了波導模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）等兩種新型多模光子器件，分別用於實現特定的模式相關耦合和模式相關衰減等功能；並進一步將這些新型光子功能器件單片整合，在國際上首次展示了波導模式編碼的兩位元受控非門控操作。
圖1. 光子波導模式編碼量子控制非門晶片示意圖
該成果為波導模式編碼量子操作鋪平了道路，也可用於片上多自由度光量子資訊處理。審稿人一致認為這是一個重要的研究工作，給出高度評價：“The two new components TMDDC and MMA invented here are important（新發明的兩種器件TMDDC和MMA很重要）”、“I believe that the work presented in this letter will provide essential tools in that field（我相信這個工作將在相應研究領域中提供必要工具）”。
中科院量子資訊重點實驗室任希鋒教授、浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授為論文共同通訊作者，中科院量子資訊重點實驗室特任副研究員馮蘭天和浙江大學助理研究員張明為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。
論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060501
