Bristol大学在硅光芯片上实现纠缠态的产生、操控与分析

英国布里斯托大学O'Brien研究组最近在arXiv贴出了量子光学芯片的最新进展（https://arxiv.org/abs/1709.00214）。他们在单颗硅光芯片上实现了纠缠态的产生、逻辑操作（Control-Z gate）与量子态层析（quantum state tomography），具有十分重要的意义。

该小组是量子光学芯片领域的先驱，在2008年发表了该领域开创性的文章Silica -on-Silicon Waveguide Quantum Circuits。他们将外部的纠缠光源耦合进由定向耦合器构成的集成光路中，验证了HOM干涉实验和控制非门(Control-not gate)操作。在近十年的研究中，他们陆续发表了一系列重要的工作，包括量子随机行走、Shor算法、玻色采样、片上纠缠光源产生等。在这些工作中，纠缠光源通常在芯片外部产生，然后耦合进光芯片中。在芯片上纠缠态产生的实验中，通过干涉光路实现纠缠态的切换，并没有复杂的逻辑操作。

本篇工作中，研究者们将纠缠态的产生与逻辑门操作同时在硅光芯片上实现，光路如下图所示，

具体说来，整个光路可以分为四个功能模块，分别对应路径纠缠态的产生、单比特旋转、控制Z门和量子态层析，与上图中的矩形框对应，它的逻辑示意图如下，

在纠缠态产生单元中，有四个长度为21mm的螺旋形波导（为了节省面积，将波导做成螺旋线）。利用硅材料的三阶非线性，外部输入的1551nm泵浦光在该波导中发生四波混频，产生1547nm和1555nm的信号光与闲置光。通过MZ干涉器相位的调制，光子对可能在这四个螺旋形波导中的任意一个产生。通过Reversed HOM干涉光路的作用，可以产生如下的双光子路径纠缠态，

上式中|00>表示两个光子都在top与bottom的上波导中，而|11>对应两个光子都在top与bottom的下波导中。

在top与bottom波导光路中，通过三个热相移器（thermal phase shifter）与MZ干涉器的共同作用，可以实现对单个光子的任意旋转操作，对应Rz*Ry*Rz。Rz和Ry的数学形式如下，可以证明Rz*Ry*Rz对应Bloch球面上任意角度的旋转。

通过热相移器相位的变化，可以改变MZ干涉器的分光比，取代控制非门（如下图所示）光路中1/3分光比的分束器，进而实现控制Z门。控制非门与控制Z门是等价的，它们的成功几率都是1/9。

最后对CZ门逻辑操作后的量子态进行量子态层析，用于分析检验所产生的量子态。该光路中由两个热相移器和一个MZ干涉器构成，对应Ry和Rz操作。

整个光路主要由20个定向耦合器、19个热相移器构成，将这些单元组合在一起，就构成了整个的光路。每个热相移器的相位都需要精确控制，还是复杂的。实验中，研究者测试了不同情况下量子态经过逻辑操作后的纯度、施密特数、CHSH值和保真度，如下表所示

纯度P越接近1，表明量子态是纯态，而不是混态。K值表示量子态施密特分解时的系数值。S值大于2，表示该量子态存在非局域的关联。实验结果与理论值符合得较好。

定向耦合器作为基本单元，它的性质决定了整个光路的性能。而定向耦合器对波导的结构参数非常敏感，一旦加工时波导尺寸有所偏差，就会导致分光比的误差，引起性能的不完美。对于这种50/50分光比的要求，多模干涉器（MMI）的工艺容差较低，因此如果采用MMI代替DC，光路的整体性能应该会更好。

另外，基于热光效应的相移器调制速度并不是特别快，虽然在本实验中对调制速度要求并不高。但是对于更复杂的逻辑操作，会需要同时对更多的相移器进行快速的相位调制，此时调制速度就会比较重要。也许后续研究者会利用硅光中较常用的电调制相移器。

以上就是对这篇最新进展的简单介绍。总体说来，引领量子光学芯片领域的O‘Brien组在他们之前的研究基础上，又向前了迈进了一大步。虽然看起来是将以往的两个单元结合在一起，但困难肯定远大于1+1，非常期待他们下一步的进展。是更复杂的逻辑操作，亦或是将探测器也集成到芯片上？

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参考文献：

1. R. Santagati，Silicon photonic processor of two-qubitentangling quantum logic， arXiv 1709. 00214(2017)