中國科技大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒研究組與浙江大學(xué)戴道鋅教授合作，首次研制成功硅基導(dǎo)膜量子集成芯片，他們在硅光子集成芯片上利用硅納米光波導(dǎo)中不同的能量傳輸模式，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，其干涉可見度均超過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)。該成果近日發(fā)表在英國《自然·通訊》雜志上。

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)。在以往集成量子光學(xué)芯片研究中，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)二維量子信息過程，無法實(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。

任希鋒研究組與合作者首次提出采用寬波導(dǎo)中的多個(gè)本征波導(dǎo)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。特別是這些模式在傳輸時(shí)不會相互干擾，有效避免了信息串?dāng)_問題。與此同時(shí)，還可以在量子信息過程中同時(shí)利用光子的多個(gè)自由度，從而顯著提升信息容量。他們利用新型硅基片上波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)化器和波導(dǎo)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，為實(shí)現(xiàn)集成量子光學(xué)芯片中高維量子信息過程奠定了重要基礎(chǔ)。