2025年2月20日，北京大學物理學院現代光學研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組與(yu) 山西大學蘇曉龍教授課題組合作，在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上發表一項以“基於(yu) 集成光量子頻率梳芯片的連續變量多體(ti) 量子糾纏”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）為(wei) 題的突破性研究成果。

該團隊在國際上首次實現了基於(yu) 集成光量子芯片的連續變量簇態量子糾纏，為(wei) 光量子芯片的大規模擴展及其在量子計算、量子網絡和量子信息等領域的應用奠定了重要基礎。研究團隊通過創新性地發展超低損耗的連續變量光量子芯片調控技術和多色相幹泵浦與(yu) 探測技術，成功在氮化矽集成頻率梳微環腔的真空壓縮頻率超模上確定性地製備出多比特糾纏簇態，並實現不同簇態糾纏結構的可重構調控。同時，團隊利用van Loock-Furusawa判據實驗違背和完備的nullifier（零化子）關(guan) 聯矩陣測量，對連續變量簇態的糾纏結構進行了嚴(yan) 格實驗判定。這一研究成果不僅(jin) 解決(jue) 了以往集成光量子芯片麵臨(lin) 的擴展性難題，還為(wei) 未來實現更大尺度的量子糾纏與(yu) 量子調控提供了新的技術路徑。該成果標誌著集成光量子芯片技術在量子信息處理領域的重要突破，為(wei) 量子計算和量子網絡的實用化發展提供了關(guan) 鍵技術支撐。

量子信息的基本單元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可統稱為(wei) 量子比特。它們(men) 可分別通過離散變量和連續變量編碼在光量子體(ti) 係中實現，各具優(you) 缺點。例如，基於(yu) 單光子的離散變量體(ti) 係能夠實現超高保真度的量子比特操作，但其麵臨(lin) 的主要挑戰是製備量子比特和量子糾纏存在概率性。根據現有技術手段，離散變量量子糾纏的製備成功率隨比特數增加呈指數下降，這限製了其可擴展性。相比之下，基於(yu) 光場正交分量編碼的連續變量體(ti) 係能夠確定性產(chan) 生量子比特和量子糾纏，盡管其操控保真度略低，卻為(wei) 大尺度光量子糾纏態的製備提供了一條極具前景的技術路徑。

集成光量子芯片是一種能夠在微納尺度上編碼、處理、傳(chuan) 輸和存儲(chu) 光量子信息的先進平台。自2008年國際上實現首個(ge) 離散變量集成光量子芯片以來，集成光子芯片材料和技術取得了顯著進展，並在離散變量光量子信息領域發揮了重要作用。然而，連續變量集成光量子芯片的發展麵臨(lin) 諸多挑戰：一方麵，集成光學參量放大過程要求芯片具備高光學非線性和低光學損耗等高性能；另一方麵，對片上多模壓縮光場與(yu) 糾纏的機理理解不足，多模糾纏調控與(yu) 驗證也存在技術瓶頸。這些因素導致連續變量光量子芯片的研究長期處於(yu) 起步階段，其編碼與(yu) 糾纏的比特數僅(jin) 限於(yu) 單模或雙模壓縮態，而多模（多比特）量子糾纏態的片上製備與(yu) 驗證仍極具挑戰性。

糾纏簇態作為(wei) 一種典型的多比特量子糾纏態，在量子信息科學中具有極其重要的地位。簇態不僅(jin) 是單向量子計算的核心資源，還在量子糾錯和容錯量子計算中發揮關(guan) 鍵作用，同時為(wei) 量子網絡的構建提供了重要支持，並可用於(yu) 模擬複雜的多體(ti) 量子係統。盡管簇態糾纏的重要性已被廣泛認可，但其大規模製備技術仍麵臨(lin) 諸多挑戰。此前，光量子芯片上的簇態糾纏研究主要集中在離散變量體(ti) 係，確定性地製備大規模糾纏簇態麵臨(lin) 巨大實驗困難，而連續變量簇態的片上製備和驗證技術在國際上仍屬空白。

在本研究中，研究團隊首次在國際上實現了基於(yu) 集成光量子芯片的連續變量糾纏簇態的確定性製備、可重構調控與(yu) 嚴(yan) 格實驗驗證。這一突破性成果不僅(jin) 填補了連續變量光量子芯片領域的關(guan) 鍵技術空白，還為(wei) 大規模量子糾纏態的製備與(yu) 操控提供了全新的技術路徑，對推動量子計算、量子網絡和量子模擬等領域的實用化發展具有非常重要的意義(yi) 。

圖1. 基於(yu) 集成頻率梳微腔的連續變量糾纏簇態製備、調控與(yu) 探測原理與(yu) 方案圖

圖1A展示了連續變量光量子芯片製備糾纏簇態的原理圖。基於(yu) 超低損耗氮化矽的集成頻率梳微環腔，研究團隊通過發展多色相幹泵浦與(yu) 探測技術，在光學參量振蕩閾值以下激發真空壓縮頻率超模（即真空頻率模式的線性疊加），並確定性地製備出多比特簇態糾纏。集成光學微腔中的複雜非線性效應由相位鎖定的光學頻率梳激發，這種多色泵浦方式引入了自發雙模光場壓縮和非線性布拉格散射兩(liang) 種主要物理過程。由於(yu) 布拉格散射效應的存在，多色泵浦激發的真空頻率模式之間形成了複雜的光場噪聲關(guan) 聯，導致真空頻率模式無法直接用於(yu) 構建糾纏簇態。實驗表明，簇態糾纏僅(jin) 存在於(yu) 頻率超模的本征模式之間，這一結果通過實驗測量的協方差矩陣得到了驗證。同時，這也是利用三階非線性過程與(yu) 二階非線性過程產(chan) 生連續變量糾纏態的主要區別。圖1B展示了實驗測試平台及芯片實物圖：(a) 連續變量光量子芯片測試平台實物圖，芯片的輸入輸出端通過透鏡光纖耦合，同時使用直流探針接觸片上電極以加載電流實現波長鎖定；(b) 微環諧振器器件實物圖；(c) 微環諧振腔波導切麵圖，波導寬度經過優(you) 化設計以實現近零色散，從(cong) 而最大化非線性強度；(d) 微環諧振腔耦合區切麵圖，耦合區間距經過精確設計以實現高逃逸效率。圖1C展示了團隊開發的多色相幹泵浦與(yu) 探測技術。該技術不僅(jin) 可用於(yu) 大尺度簇態的泵浦激發，還可利用多色本地振蕩光場實現完整的量子態測量與(yu) 分析。此外，通過調控多色本地振蕩光場，團隊能夠對量子光場進行等效的任意線性操作，從(cong) 而製備出具有不同糾纏結構的簇態。更重要的是，整個(ge) 泵浦-操控-探測係統保持了相幹性和全局相位的鎖定，確保了糾纏簇態的高質量製備、調控與(yu) 驗證。

圖2. 不同糾纏結構的連續變量簇態實驗結果：（A）Nullifier；(B) 不同糾纏結構簇態；（C）van Loock-Furusawa判據實驗結果；（D）100MHz寬帶糾纏判定。

團隊通過對集成微梳中非線性物理過程與(yu) 連續變量糾纏機理的實驗分析，結合所發展的相幹泵浦-探測技術，在5~500 MHz頻率邊帶範圍內(nei) 完成了光場噪聲關(guan) 聯的完整測量與(yu) 分析，並實驗重構了多模糾纏態的協方差矩陣。利用部分轉置判據，團隊驗證了八個(ge) 頻率模式的糾纏不可分性。在此基礎上，通過精準調控多色本地振蕩光對量子光場進行等效操作，團隊成功製備出了四模鏈狀、盒狀、星狀以及六模鏈狀的多組分簇態糾纏（圖2B），並在集成光量子芯片上觀測到了近2 dB的nullifier壓縮（圖2A）。更重要的是，團隊在實驗中直接打破了上述不同糾纏結構簇態的van Loock-Furusawa判據（圖2C），首次在有限壓縮條件下實現了光芯片上糾纏簇態的成功製備。此外，團隊還研究了不同糾纏結構簇態在不同頻率邊帶的糾纏性質，發現在約100 MHz的邊帶帶寬內(nei) ，van Loock-Furusawa判據均被實驗直接打破，進一步證明了連續變量光量子芯片在量子信息領域的巨大應用潛力。

連續變量簇態具有嚴(yan) 格的定義(yi) ，其成功製備需要經過嚴(yan) 格實驗驗證。由於(yu) van Loock-Furusawa判據主要側(ce) 重於(yu) 對nullifier的壓縮進行分析，隨著從(cong) 雙模糾纏到多模糾纏的轉變，量子糾纏的結構複雜性發生了重大變化，僅(jin) 僅(jin) 依賴該判據無法全麵解析所製備簇態的全部糾纏信息。為(wei) 了嚴(yan) 格證明並確定連續變量糾纏簇態的成功製備，尤其是在非線性過程複雜的集成微梳量子糾纏係統中，團隊進一步對nullifier的噪聲關(guan) 聯矩陣進行了全麵的測量與(yu) 分析。在早期實驗中，團隊僅(jin) 通過線性操控量子光場的數據分析發現，nullifier之間存在顯著的額外非對角噪聲關(guan) 聯。這表明量子光場的糾纏信息並未完全包含在nullifier內(nei) ，與(yu) 簇態糾纏的對角噪聲關(guan) 聯結構不符。通過對簇態製備過程對應代數結構的深入分析，團隊提出了一種創新方法：通過同時精確調控泵浦條件（包括功率和失諧量）以及量子光場的線性操控，成功消除了簇態糾纏製備過程中nullifier的額外非對角噪聲關(guan) 聯。最終，團隊顯著降低了不同簇態糾纏nullifier之間的非對角噪聲關(guan) 聯（見圖3B：理論模擬，圖3C：實驗結果）。這一成果不僅(jin) 嚴(yan) 格證明了連續變量簇態的成功製備，還實現了對不同簇態糾纏結構的精確測量，為(wei) 複雜量子糾纏態的製備與(yu) 驗證提供了新的方法論。

值得一提的是，當前糾纏模式數目的限製主要來自集成微腔的尺度（即頻率間隔）和多色泵浦光的數目。團隊已成功解決(jue) 了基礎的科學問題，為(wei) 未來實現更大規模簇態糾纏及其在量子信息處理中的應用奠定了重要的物理基礎。麵向大規模擴展主要依賴於(yu) 工程技術的優(you) 化，例如，通過先進芯片加工技術製備更大尺度的微腔，以及利用相位鎖定的光學頻率梳進行激發等工程手段，可以顯著提升糾纏態的規模和複雜度。

圖3. 不同糾纏結構的連續變量簇態實驗結果：nullifier非對角噪聲關(guan) 聯矩陣。

北京大學集成量子光學實驗室（Q-chip Lab）長期致力於(yu) 集成量子光學和量子信息研究，取得了一係列重要成果。在前期工作中，團隊成功發展了晶圓級矽基大規模集成的光量子芯片加工和操控技術，實現了基於(yu) 離散變量光量子芯片的高維度糾纏[Science 360, 285(2018)]、多光子糾纏[Nature Physics 16, 148(2020)]、圖/超圖糾纏[Nature Communications 15, 2601 (2024)]、拓撲保護的量子糾纏[Nature Photonics 16, 248 (2022)]，並進一步實現了玻色取樣專(zhuan) 用型光量子計算芯片[Nature Physics 15, 925(2019)]、通用型簇態光量子計算芯片[Nature Physics 17, 1137(2021)]、圖論型量子計算芯片[Nature Photonics 17, 573(2023)]、高維量子計算芯片[Nature Communications 13, 1166 (2022)]、多芯片間高維糾纏量子網絡[Science 381, 221 (2023)]、拓撲物態量子模擬芯片[Nature Materials 2, 928 (2024)，Nature Physics 20, 101 (2024)]等。

自2018年建組以來，Q-chip Lab團隊便重點關(guan) 注連續變量光量子芯片研究。本項研究成果的取得，離不開團隊賈新宇、翟翀昊、遊暢、鄭贇、傅兆瑢等成員，多年來的不懈努力與(yu) 堅持。特別是2020級博士生賈新宇，從(cong) 2019年本科大四開始便投身於(yu) 這一領域，本科畢業(ye) 論文以《片上連續變量糾纏光源研究》為(wei) 題進行了理論分析與(yu) 設計。在隨後的五年博士生涯中，他始終專(zhuan) 注於(yu) 這一研究方向，曆經四輪器件設計加工、測試係統搭建與(yu) 優(you) 化，終於(yu) 在2022年8月實驗得到單/雙模壓縮態，並於(yu) 2023年4月獲得頻率域糾纏的初步實驗結果。與(yu) 此同時，2021級博士生翟翀昊在前期實驗基礎上，從(cong) 理論上深入研究了集成微環諧振腔內(nei) 三階非線性過程產(chan) 生模式糾纏的物理機製以及頻率邊帶響應規律，建立了多模糾纏的完整分析驗證方法，並提出了消除nullifier非對角噪聲關(guan) 聯的創新方案。團隊成員在理論與(yu) 實驗之間緊密合作，相繼發展了基於(yu) 超模的簇態製備與(yu) 調控、多色相幹泵浦探測技術、量子光場線性調控等關(guan) 鍵理論與(yu) 技術。2024年4月，團隊將研究成果投稿至《自然》，獲得了審稿人的高度評價(jia) ，並指出：“這項工作首次在光學芯片上實現多比特連續變量量子糾纏，這一成果為(wei) 可擴展量子信息處理奠定了重要裏程碑”（This is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）。審稿過程中，團隊成員經曆了無數個(ge) 晝夜的實驗、分析、討論，甚至前後三次推翻原有所有方案並重頭開始。最終，團隊嚴(yan) 格證明了糾纏簇態的成功製備與(yu) 判定，五年磨一劍，成功報道了國際上首個(ge) 基於(yu) 集成光量子芯片的連續變量糾纏簇態。這一突破性成果的取得，離不開團隊成員在科學前沿研究中的堅持與(yu) 努力，也展現了團隊在麵對挑戰時的團結與(yu) 智慧。

北京大學物理學院2020級博士研究生賈新宇、2021級博士研究生翟翀昊、山西大學2021級博士研究生朱學誌為(wei) 文章共同第一作者。蘇曉龍、王劍威為(wei) 共同通訊作者。主要合作者還包括北京大學電子學院常林研究員，龔旗煌，物理學院博士研究生遊暢、傅兆瑢、茆峻、戴天祥（現為(wei) 香港大學博士後），物理學院國家博新博士後鄭贇以及北京大學電子學院、山西大學的合作者。

本項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技創新2030 “量子通信與(yu) 量子計算機”重大項目、北京市自然科學基金、山西省基礎研究計劃、山西省“1331工程”重點學科建設基金，以及北京大學人工微結構和介觀物理全國重點實驗室、北京量子信息科學研究院、山西大學光量子技術與(yu) 器件全國重點實驗室、山西大學極端光學協同創新中心、北京大學納光電子前沿科學中心、北京大學長三角光電科學研究院、合肥量子國家實驗室等的大力支持。

論文原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1

（轉自：第三代半導體(ti) 產(chan) 業(ye) ）