波导模式编码成功“插手”量子计算 多自由度光量子芯片呼之欲出

这些不同的电场横向分布特性被称为不同的波导模式，波导尺寸越大，支持的波导模式就越多。这些不同的波导模式按照电场分布特征进行命名，通常被写为TE0、TM0、TE1、TM1等。

任希锋

中国科学技术大学教授

前不久，国际知名学术期刊《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得的重要进展：该团队任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队合作，在国际首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作。

这一研究成果的实现，不仅为多自由度光量子芯片的实现奠定了基础，也意味着能够实现进行波导模式编码普适量子计算所需的所有基本操作。如此“不明觉厉”的科研成果意味着什么？

波导模式引发科学界、业界诸多关注

“波导模式编码可以从0编码到无穷，因而能够用于高维编码过程。”中国科学技术大学教授任希锋告诉记者，波导通常是用来定向引导电磁波的结构。在光子芯片中，光场被束缚在光波导中，以特定的横向电场分布，或者说能量分布传输。根据波导尺寸、材料特性、光波波长等因素，光会有不同的横向电场分布。

“我们把这些不同的电场横向分布特性称为不同的波导模式。”任希锋说，波导尺寸越大，支持的波导模式就越多。这些不同的波导模式按照电场分布特征进行命名，通常被写为TE0、TM0、TE1、TM1等。“当一根波导支持的波导模式为2个或以上时，我们就称它为多模波导。”

“如果我们把信息编码在这些不同的波导模式上，例如TE0编码信息比特0，TE1编码信息比特1，这种方式就被称为波导模式编码。”任希锋告诉记者，由于波导模式理论上可以有很多，所以编码的信息维度就超过0和1这种二维编码方式，可以从0编码到无穷，因而能够用于高维编码过程。

也正是由于波导模式可以用来编码高维信息，提高通信的信道容量，所以在经典片上光通讯中，其引起科学界和业界越来越多的关注。

首次将波导模式编码用于量子信息处理

“我们的合作者，戴道锌教授及团队在此方面做了很多有影响力的工作。”任希锋说，在他们之间合作的第一个工作中，就在国际上首次将波导模式编码用于量子信息处理，实现了波导模式、偏振和路径编码纠缠态之间的相干转换，证明波导模式编码方式对量子信号也是可行的。他们的这项成果在《自然·通讯》上发表。

“由于我们用来携带量子信号的载体是光子，所以要制备编码在波导模式上的量子光源，便是我们第二个工作。”任希锋说，在这项工作中，他们成功地在硅光芯片上制备了波导模式编码的量子纠缠源。这项研究成果也被发表在《npj量子信息》上。

“正是因为有了前期工作的技术积累和储备，我们的第三个工作是关于逻辑门的，而这项工作也非常具有创新性和挑战性。”任希锋告诉记者，为了实现全片上波导模式编码光学量子信息过程，他们需要实现两比特量子受控非门操作，而这项操作是最重要的一个两比特量子操作，是实现量子计算不可或缺的逻辑门。

“我们先以比较成熟的路径编码方式对量子受控非门进行了实验实现，积累了技术，也摸索了经验。”任希锋表示，在这第三个工作中，他们构建了世界上最小尺寸的光学量子受控非门，对路径编码量子信息过程也是一个很大的促进。而这项工作的成果也发表在了著名的《物理评论快报》上。

为波导模式编码量子操作铺平道路

任希锋告诉记者，要实现波导模式编码量子逻辑门，需要一些对波导模式独立调控的特殊操作。这里主要包含两类，一类是实现两根波导之间，不同波导模式光场的不同耦合强度；另外一类是实现不同波导模式光场不同的能量衰减比例。

“这些器件都是以前没有的。我们和戴道锌教授团队合作，率先提出并成功研制了这两款新颖的光子器件。”任希锋说，他们自主设计和研制的波导模式耦合器（TMDDC）、模式衰减器（MMA）两种新型多模光子器件可以作为基本器件，应用在其它多模光信息处理中。“我们展示的波导模式编码量子受控非门，再加上单比特旋转，级联后就可以实现各类量子操作，可为相应研究领域提供最基本的工具。”

波导模式作为可以实现高维的信息编码技术，其高维信息过程可以带来更大的信道容量、更高保真度的量子操作以及更鲁棒的量子信息传输，因此越来越受到关注。“我们已经在芯片上完成了波导模式编码量子比特的单比特旋转和两比特量子受控非门操作，也就是说，实现了进行普适量子计算所需的所有基本操作。理论上，通过这两类基本操作的大规模级联，我们就能实现波导模式编码的量子计算。”任希锋也坦言，这当中还有很长的路要走。

“另外，我们也证明这种编码方式和原有的路径编码、偏振编码是不冲突的，可以任意相干转换，所以也为多自由度光量子芯片的实现奠定了基础。”任希锋表示。