2023年7月13日，北京大学王剑威及浙江大学戴道锌共同通讯在Science在线发表题为「Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability」的研究论文，该研究报道了一种基于可批量生产的集成纳米光子量子节点芯片的多芯片多维量子纠缠网络，该芯片是通过互补金属氧化物半导体工艺在硅片上制造的。

北京大学物理学院2019级博士研究生郑赟、2021级博士研究生翟翀昊、浙江大学光电科学与工程学院/杭州国际科创中心刘大建博士为共同第一作者，浙江大学戴道锌教授与北京大学王剑威研究员为共同通讯作者。主要合作者还包括：中国科学院微电子研究所杨妍研究员、唐波高级工程师、李志华研究员；北京大学李焱教授、龚旗煌教授；香港中文大学Hon Ki Tsang教授；北京大学物理学院博士研究生茆峻、陈晓炯、戴天祥、黄洁珊、包觉明、傅兆瑢以及香港中文大学、香港科技大学的合作者。

利用混合多路复用，该研究证明了多个多维纠缠态可以分布在由少模光纤连接的多个芯片上。并开发了一种可以有效地恢复复杂介质量子通道中多维纠缠的技术，这对实际应用具有重要意义。该研究证明了实现大规模实用芯片量子纠缠网络的能力。

量子网络的目标是在量子通道相干连接的量子节点网格中传输、存储和处理量子信息，超越了经典互联网的能力。它承诺了许多应用，如用于安全通信的量子密钥分发(QKD)、更高精度的时钟同步、分布式量子计量和分布式量子计算。升级当前QKD网络的关键是实现能够在大量远程量子节点之间鲁棒共享复杂纠缠态的纠缠网络。

实现大规模和实用的量子纠缠网络在实验上仍然具有挑战性。它需要可扩展的量子硬件、技术和体系结构，以便通过大容量量子信道在大量量子节点之间分布纠缠态。量子光子集成电路是一种新兴的量子信息处理和通信硬件系统。迄今为止，使用集成光子芯片，点对点QKD和纠缠分布已经在单芯片到单芯片系统中得到了证明，并且单个微环谐振器已被用作QKD和网络的光子源。综合集成量子节点设计网络需要全谱单片集成设备，用于编码、解码、多路复用、操作和光的量子态检测。

图1 多芯片多维纠缠网络的体系结构 | 图源：Science

与单芯片或单芯片到单芯片量子实验相比，实现多芯片量子网络仍然具有挑战性，因为它不仅需要不同器件的单片集成，而且需要不同芯片之间的高度量子不可区分性以实现可扩展的量子网络。同时，实际的量子网络需要高容量和抗噪声的纠缠传输。多维量子系统被认为是优秀的候选者之一，然而，当穿越复杂介质(如多模光纤(MMF)或空气散射通道)时，它容易受到环境扰动。因此，不可避免地会发生状态混乱和纠缠退化。先前的工作已经证明了利用测量-反演技术在复杂介质中解码经典和量子光的能力，该技术需要重建传输矩阵，然后进行逆操作以恢复状态。最近提出了另一种全光学解码方法，并证明了经典光的单一传输。在现实世界的量子网络系统中，有效地检索复杂介质中光的量子态具有实际意义。此外，在体系结构层面，量子网络设备和技术有望维持大量量子节点和高容量量子信道，并与经典电信网络中已经发展良好的多路复用设备和技术相兼容。

图2 量子网络芯片的晶圆实物图和线路示意图 | 图源：知社学术圈

图3. 高维量子纠缠恢复（A）、系统稳定性测试（B）及多芯片间量子纠缠分发（C） | 图源：知社学术圈

该研究展示了一个多芯片多维量子纠缠网络，使用硅光子混合多路复用技术具有可恢复性。全谱的混合编码和多路复用器件已经单片集成在芯片上，提供了电路复杂性和功能方面最复杂的集成量子光子器件之一。网络架构、集成量子器件、MMF通道和纠缠检索技术的可扩展性已被证明和验证。在未来现实世界的远距离量子网络中，导致MMFs中模式串扰和相位漂移的环境噪声可以通过使用硅中的快速开关和光检测进行实时全光校正。该研究指向了用于量子信息处理和通信的大规模、基于芯片的量子纠缠网络的实际实现。纠缠检索和集成光子量子信息处理的技术进步可以为在超高维光纤复杂介质中操作量子光提供一种可编程的方式，这可能适用于基础科学和应用科学。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9210

--iNature、知社学术圈