前不久，國際知名學術期刊《物理評論快報》發表了中國科學技術大學郭光燦院士團隊在光量子晶片研究中取得的重要進展：該團隊任希鋒研究組與浙江大學戴道鋅團隊合作，在國際首次實現了片上波導模式編碼的兩位元量子邏輯閘操作。

這一研究成果的實現，不僅為多自由度光量子晶片的實現奠定了基礎，也意味著能夠實現進行波導模式編碼普適量子計算所需的所有基本操作。如此“不明覺厲”的科研成果意味著什麼？

波導模式引發科學界、業界諸多關注

“波導模式編碼可以從0編碼到無窮，因而能夠用於高維編碼過程。”中國科學技術大學教授任希鋒告訴記者，波導通常是用來定向引導電磁波的結構。在光子晶片中，光場被束縛在光波導中，以特定的橫向電場分佈，或者說能量分佈傳輸。根據波導尺寸、材料特性、光波波長等因素，光會有不同的橫向電場分佈。

“我們把這些不同的電場橫向分佈特性稱為不同的波導模式。”任希鋒說，波導尺寸越大，支援的波導模式就越多。這些不同的波導模式按照電場分佈特徵進行命名，通常被寫為TE0、TM0、TE1、TM1等。“當一根波導支援的波導模式為2個或以上時，我們就稱它為多模波導。”

“如果我們把資訊編碼在這些不同的波導模式上，例如TE0編碼資訊位元0，TE1編碼資訊位元1，這種方式就被稱為波導模式編碼。”任希鋒告訴記者，由於波導模式理論上可以有很多，所以編碼的資訊維度就超過0和1這種二維編碼方式，可以從0編碼到無窮，因而能夠用於高維編碼過程。

也正是由於波導模式可以用來編碼高維資訊，提高通訊的通道容量，所以在經典片上光通訊中，其引起科學界和業界越來越多的關注。

首次將波導模式編碼用於量子資訊處理

“我們的合作者，戴道鋅教授及團隊在此方面做了很多有影響力的工作。”任希鋒說，在他們之間合作的第一個工作中，就在國際上首次將波導模式編碼用於量子資訊處理，實現了波導模式、偏振和路徑編碼糾纏態之間的相干轉換，證明波導模式編碼方式對量子訊號也是可行的。他們的這項成果在《自然·通訊》上發表。

“由於我們用來攜帶量子訊號的載體是光子，所以要製備編碼在波導模式上的量子光源，便是我們第二個工作。”任希鋒說，在這項工作中，他們成功地在矽光晶片上製備了波導模式編碼的量子糾纏源。這項研究成果也被髮表在《npj量子資訊》上。

“正是因為有了前期工作的技術積累和儲備，我們的第三個工作是關於邏輯閘的，而這項工作也非常具有創新性和挑戰性。”任希鋒告訴記者，為了實現全片上波導模式編碼光學量子資訊過程，他們需要實現兩位元量子受控非門操作，而這項操作是最重要的一個兩位元量子操作，是實現量子計算不可或缺的邏輯閘。

“我們先以比較成熟的路徑編碼方式對量子受控非門進行了實驗實現，積累了技術，也摸索了經驗。”任希鋒表示，在這第三個工作中，他們構建了世界上最小尺寸的光學量子受控非門，對路徑編碼量子資訊過程也是一個很大的促進。而這項工作的成果也發表在了著名的《物理評論快報》上。

為波導模式編碼量子操作鋪平道路

任希鋒告訴記者，要實現波導模式編碼量子邏輯閘，需要一些對波導模式獨立調控的特殊操作。這裡主要包含兩類，一類是實現兩根波導之間，不同波導模式光場的不同耦合強度；另外一類是實現不同波導模式光場不同的能量衰減比例。

“這些器件都是以前沒有的。我們和戴道鋅教授團隊合作，率先提出併成功研製了這兩款新穎的光子器件。”任希鋒說，他們自主設計和研製的波導模式耦合器（TMDDC）、模式衰減器（MMA）兩種新型多模光子器件可以作為基本器件，應用在其它多模光資訊處理中。“我們展示的波導模式編碼量子受控非門，再加上單位元旋轉，級聯後就可以實現各類量子操作，可為相應研究領域提供最基本的工具。”

波導模式作為可以實現高維的資訊編碼技術，其高維資訊過程可以帶來更大的通道容量、更高保真度的量子操作以及更魯棒的量子資訊傳輸，因此越來越受到關注。“我們已經在晶片上完成了波導模式編碼量子位元的單位元旋轉和兩位元量子受控非門操作，也就是說，實現了進行普適量子計算所需的所有基本操作。理論上，透過這兩類基本操作的大規模級聯，我們就能實現波導模式編碼的量子計算。”任希鋒也坦言，這當中還有很長的路要走。

“另外，我們也證明這種編碼方式和原有的路徑編碼、偏振編碼是不衝突的，可以任意相干轉換，所以也為多自由度光量子晶片的實現奠定了基礎。”任希鋒表示。

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