2025年2月20日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表一项以“基于集成光量子频率梳芯片的连续变量多体量子纠缠”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）为题的突破性研究成果。
该团队在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络和量子信息等领域的应用奠定了重要基础。研究团队通过创新性地发展超低损耗的连续变量光量子芯片调控技术和多色相干泵浦与探测技术，成功在氮化硅集成频率梳微环腔的真空压缩频率超模上确定性地制备出多比特纠缠簇态，并实现不同簇态纠缠结构的可重构调控。同时，团队利用van Loock-Furusawa判据实验违背和完备的nullifier（零化子）关联矩阵测量，对连续变量簇态的纠缠结构进行了严格实验判定。这一研究成果不仅解决了以往集成光量子芯片面临的扩展性难题，还为未来实现更大尺度的量子纠缠与量子调控提供了新的技术路径。该成果标志着集成光量子芯片技术在量子信息处理领域的重要突破，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。
量子信息的基本单元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可统称为量子比特。它们可分别通过离散变量和连续变量编码在光量子体系中实现，各具优缺点。例如，基于单光子的离散变量体系能够实现超高保真度的量子比特操作，但其面临的主要挑战是制备量子比特和量子纠缠存在概率性。根据现有技术手段，离散变量量子纠缠的制备成功率随比特数增加呈指数下降，这限制了其可扩展性。相比之下，基于光场正交分量编码的连续变量体系能够确定性产生量子比特和量子纠缠，尽管其操控保真度略低，却为大尺度光量子纠缠态的制备提供了一条极具前景的技术路径。
集成光量子芯片是一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。自2008年国际上实现首个离散变量集成光量子芯片以来，集成光子芯片材料和技术取得了显著进展，并在离散变量光量子信息领域发挥了重要作用。然而，连续变量集成光量子芯片的发展面临诸多挑战：一方面，集成光学参量放大过程要求芯片具备高光学非线性和低光学损耗等高性能；另一方面，对片上多模压缩光场与纠缠的机理理解不足，多模纠缠调控与验证也存在技术瓶颈。这些因素导致连续变量光量子芯片的研究长期处于起步阶段，其编码与纠缠的比特数仅限于单模或双模压缩态，而多模（多比特）量子纠缠态的片上制备与验证仍极具挑战性。
纠缠簇态作为一种典型的多比特量子纠缠态，在量子信息科学中具有极其重要的地位。簇态不仅是单向量子计算的核心资源，还在量子纠错和容错量子计算中发挥关键作用，同时为量子网络的构建提供了重要支持，并可用于模拟复杂的多体量子系统。尽管簇态纠缠的重要性已被广泛认可，但其大规模制备技术仍面临诸多挑战。此前，光量子芯片上的簇态纠缠研究主要集中在离散变量体系，确定性地制备大规模纠缠簇态面临巨大实验困难，而连续变量簇态的片上制备和验证技术在国际上仍属空白。
在本研究中，研究团队首次在国际上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、可重构调控与严格实验验证。这一突破性成果不仅填补了连续变量光量子芯片领域的关键技术空白，还为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有非常重要的意义。
图1A展示了连续变量光量子芯片制备纠缠簇态的原理图。基于超低损耗氮化硅的集成频率梳微环腔，研究团队通过发展多色相干泵浦与探测技术，在光学参量振荡阈值以下激发真空压缩频率超模（即真空频率模式的线性叠加），并确定性地制备出多比特簇态纠缠。集成光学微腔中的复杂非线性效应由相位锁定的光学频率梳激发，这种多色泵浦方式引入了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。由于布拉格散射效应的存在，多色泵浦激发的真空频率模式之间形成了复杂的光场噪声关联，导致真空频率模式无法直接用于构建纠缠簇态。实验表明，簇态纠缠仅存在于频率超模的本征模式之间，这一结果通过实验测量的协方差矩阵得到了验证。同时，这也是利用三阶非线性过程与二阶非线性过程产生连续变量纠缠态的主要区别。图1B展示了实验测试平台及芯片实物图：(a) 连续变量光量子芯片测试平台实物图，芯片的输入输出端通过透镜光纤耦合，同时使用直流探针接触片上电极以加载电流实现波长锁定；(b) 微环谐振器器件实物图；(c) 微环谐振腔波导切面图，波导宽度经过优化设计以实现近零色散，从而最大化非线性强度；(d) 微环谐振腔耦合区切面图，耦合区间距经过精确设计以实现高逃逸效率。图1C展示了团队开发的多色相干泵浦与探测技术。该技术不仅可用于大尺度簇态的泵浦激发，还可利用多色本地振荡光场实现完整的量子态测量与分析。此外，通过调控多色本地振荡光场，团队能够对量子光场进行等效的任意线性操作，从而制备出具有不同纠缠结构的簇态。更重要的是，整个泵浦-操控-探测系统保持了相干性和全局相位的锁定，确保了纠缠簇态的高质量制备、调控与验证。
图2. 不同纠缠结构的连续变量簇态实验结果：（A）Nullifier；(B) 不同纠缠结构簇态；（C）van Loock-Furusawa判据实验结果；（D）100MHz宽带纠缠判定。
团队通过对集成微梳中非线性物理过程与连续变量纠缠机理的实验分析，结合所发展的相干泵浦-探测技术，在5~500 MHz频率边带范围内完成了光场噪声关联的完整测量与分析，并实验重构了多模纠缠态的协方差矩阵。利用部分转置判据，团队验证了八个频率模式的纠缠不可分性。在此基础上，通过精准调控多色本地振荡光对量子光场进行等效操作，团队成功制备出了四模链状、盒状、星状以及六模链状的多组分簇态纠缠（图2B），并在集成光量子芯片上观测到了近2 dB的nullifier压缩（图2A）。更重要的是，团队在实验中直接打破了上述不同纠缠结构簇态的van Loock-Furusawa判据（图2C），首次在有限压缩条件下实现了光芯片上纠缠簇态的成功制备。此外，团队还研究了不同纠缠结构簇态在不同频率边带的纠缠性质，发现在约100 MHz的边带带宽内，van Loock-Furusawa判据均被实验直接打破，进一步证明了连续变量光量子芯片在量子信息领域的巨大应用潜力。
连续变量簇态具有严格的定义，其成功制备需要经过严格实验验证。由于van Loock-Furusawa判据主要侧重于对nullifier的压缩进行分析，随着从双模纠缠到多模纠缠的转变，量子纠缠的结构复杂性发生了重大变化，仅仅依赖该判据无法全面解析所制备簇态的全部纠缠信息。为了严格证明并确定连续变量纠缠簇态的成功制备，尤其是在非线性过程复杂的集成微梳量子纠缠系统中，团队进一步对nullifier的噪声关联矩阵进行了全面的测量与分析。在早期实验中，团队仅通过线性操控量子光场的数据分析发现，nullifier之间存在显著的额外非对角噪声关联。这表明量子光场的纠缠信息并未完全包含在nullifier内，与簇态纠缠的对角噪声关联结构不符。通过对簇态制备过程对应代数结构的深入分析，团队提出了一种创新方法：通过同时精确调控泵浦条件（包括功率和失谐量）以及量子光场的线性操控，成功消除了簇态纠缠制备过程中nullifier的额外非对角噪声关联。最终，团队显著降低了不同簇态纠缠nullifier之间的非对角噪声关联（见图3B：理论模拟，图3C：实验结果）。这一成果不仅严格证明了连续变量簇态的成功制备，还实现了对不同簇态纠缠结构的精确测量，为复杂量子纠缠态的制备与验证提供了新的方法论。
值得一提的是，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。团队已成功解决了基础的科学问题，为未来实现更大规模簇态纠缠及其在量子信息处理中的应用奠定了重要的物理基础。面向大规模扩展主要依赖于工程技术的优化，例如，通过先进芯片加工技术制备更大尺度的微腔，以及利用相位锁定的光学频率梳进行激发等工程手段，可以显著提升纠缠态的规模和复杂度。
北京大学集成量子光学实验室（Q-chip Lab）长期致力于集成量子光学和量子信息研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中，团队成功发展了晶圆级硅基大规模集成的光量子芯片加工和操控技术，实现了基于离散变量光量子芯片的高维度纠缠[Science 360, 285(2018)]、多光子纠缠[Nature Physics 16, 148(2020)]、图/超图纠缠[Nature Communications 15, 2601 (2024)]、拓扑保护的量子纠缠[Nature Photonics 16, 248 (2022)]，并进一步实现了玻色取样专用型光量子计算芯片[Nature Physics 15, 925(2019)]、通用型簇态光量子计算芯片[Nature Physics 17, 1137(2021)]、图论型量子计算芯片[Nature Photonics 17, 573(2023)]、高维量子计算芯片[Nature Communications 13, 1166 (2022)]、多芯片间高维纠缠量子网络[Science 381, 221 (2023)]、拓扑物态量子模拟芯片[Nature Materials 2, 928 (2024)，Nature Physics 20, 101 (2024)]等。
自2018年建组以来，Q-chip Lab团队便重点关注连续变量光量子芯片研究。本项研究成果的取得，离不开团队贾新宇、翟翀昊、游畅、郑赟、傅兆瑢等成员，多年来的不懈努力与坚持。特别是2020级博士生贾新宇，从2019年本科大四开始便投身于这一领域，本科毕业论文以《片上连续变量纠缠光源研究》为题进行了理论分析与设计。在随后的五年博士生涯中，他始终专注于这一研究方向，历经四轮器件设计加工、测试系统搭建与优化，终于在2022年8月实验得到单/双模压缩态，并于2023年4月获得频率域纠缠的初步实验结果。与此同时，2021级博士生翟翀昊在前期实验基础上，从理论上深入研究了集成微环谐振腔内三阶非线性过程产生模式纠缠的物理机制以及频率边带响应规律，建立了多模纠缠的完整分析验证方法，并提出了消除nullifier非对角噪声关联的创新方案。团队成员在理论与实验之间紧密合作，相继发展了基于超模的簇态制备与调控、多色相干泵浦探测技术、量子光场线性调控等关键理论与技术。2024年4月，团队将研究成果投稿至《自然》，获得了审稿人的高度评价，并指出：“这项工作首次在光学芯片上实现多比特连续变量量子纠缠，这一成果为可扩展量子信息处理奠定了重要里程碑”（This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。审稿过程中，团队成员经历了无数个昼夜的实验、分析、讨论，甚至前后三次推翻原有所有方案并重头开始。最终，团队严格证明了纠缠簇态的成功制备与判定，五年磨一剑，成功报道了国际上首个基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态。这一突破性成果的取得，离不开团队成员在科学前沿研究中的坚持与努力，也展现了团队在面对挑战时的团结与智慧。
北京大学物理学院2020级博士研究生贾新宇、2021级博士研究生翟翀昊、山西大学2021级博士研究生朱学志为文章共同第一作者。苏晓龙、王剑威为共同通讯作者。主要合作者还包括北京大学电子学院常林研究员，龚旗煌，物理学院博士研究生游畅、傅兆瑢、茆峻、戴天祥（现为香港大学博士后），物理学院国家博新博士后郑赟以及北京大学电子学院、山西大学的合作者。
本项研究工作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。
论文原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1
（转自：第三代半导体产业）
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