中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的任希鋒教授研究組首次成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)光量子集成芯片之間的量子受控非門(CNOT門)隱形傳輸。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高集成度、可擴(kuò)展的量子節(jié)點(diǎn),以及節(jié)點(diǎn)間高保真度的量子互聯(lián)。光量子集成芯片是實(shí)現(xiàn)此網(wǎng)絡(luò)極具前景的平臺(tái)。在此網(wǎng)絡(luò)中,不同節(jié)點(diǎn)量子比特間的量子門操作至關(guān)重要,而最具挑戰(zhàn)性的便是實(shí)現(xiàn)高保真的CNOT門隱形傳輸以糾纏遠(yuǎn)程量子比特,這是分布式量子計(jì)算的核心步驟。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程極為復(fù)雜:需在兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)間共享糾纏光子對(duì),并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)執(zhí)行高精度、復(fù)雜的片上線性光學(xué)量子操作,對(duì)器件性能要求極高。

為破解這一難題,研究團(tuán)隊(duì)基于硅基光子芯片制備了量子糾纏光源,并通過(guò)單模光纖將其中一個(gè)光子傳輸至另一芯片。尤為關(guān)鍵的是,團(tuán)隊(duì)采用了高維量子編碼技術(shù),顯著簡(jiǎn)化了單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部所需的線性光學(xué)量子操作,從而確保了片間CNOT門隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)利用量子態(tài)層析和量子過(guò)程層析技術(shù),對(duì)片間隱形傳輸邏輯門性能進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證:在5米光纖互聯(lián)距離下,門控態(tài)保真度高達(dá)95.69%,邏輯門過(guò)程保真度為94.81%;將互聯(lián)光纖拓展至1公里后,門控態(tài)保真度仍高達(dá)94.07%,邏輯門過(guò)程保真度為93.04%。

研究人員介紹,這項(xiàng)成果標(biāo)志著在光量子集成芯片間實(shí)現(xiàn)核心量子邏輯操作方面取得了重大突破。即使在公里級(jí)距離上,CNOT門的隱形傳輸仍能保持極高的保真度,為構(gòu)建基于光量子集成芯片的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算等量子信息處理任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。