导读

在量子通信、量子计算以及量子网络研究领域中，在光子芯片上实现稳定、可扩展且高保真量子纠缠态的制备，是光量子信息技术迈向实际应用所面临的一个关键挑战。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院的Andreas Maeder研究团队在薄膜铌酸锂集成平台上展示了一种产生纠缠光子的可编程片上量子光学电路，这为构建大规模光量子信息处理器提供了有力的技术支撑。

研究团队利用薄膜铌酸锂的二阶非线性和低损耗波导特性，首次在单片芯片上集成两套独立片上纠缠光子对源、可重构马赫 - 曾德尔干涉仪以及热光调制器；通过对泵浦光功率分布和相对相位的可编程调节，实现了在同一芯片上生成不同双光子路径纠缠态（含四种常用的贝尔态），保真度超过95%。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》。题为“Programmable Bell State Generation in an Integrated Thin Film Lithium Niobate Circuit”，苏黎世联邦理工学院的Andreas Maeder为论文的第一作者和通讯作者。

研究背景

在光量子信息技术领域中，如何在芯片上稳定、高效地生成可用于量子通信和量子计算的纠缠光子，一直是光量子技术可扩展和工程化所面临的核心难题。纠缠态作为量子信息处理的基础资源，其高保真生成直接关系到量子器件的性能与实用性。过去，量子光学实验多依赖自由空间光路，通过材料中的自发参量下转换过程获得纠缠光子。这类系统虽然在实验室条件下表现出色，但对于系统对准和相位稳定性的要求极高，因此难以长期保持可靠运行，更缺乏走向大规模集成的可行性。基于自发四波混频机制的片上光源，由于材料的双光子吸收效应，以及对高峰值脉冲激光的依赖性，使其难以获得足够的亮度，且在实现多器件组合时存在较高的损耗。

相比之下，薄膜铌酸锂平台凭借其优异的二阶非线性、低损耗波导、强电光调制能力，以及可兼容高密度光子器件的结构特性，逐步展现出成为下一代量子光子集成平台的潜力。依托该材料的周期极化结构，研究者可以在毫米尺度的波导中实现高亮度、低噪声的光子对产生，并且通过片上干涉单元与相位调制器进一步实现量子态的可编程控制。然而，尽管近年来多个单一功能器件（如独立的自发参量下转换光源、可调耦合器、电光相位模块等）在薄膜铌酸锂平台上陆续取得突破，真正能够将这些功能整合到一块芯片上，用于生成和操控可编程的纠缠态的完整集成电路仍极为罕见。尤其是，如何在同一平台上实现光源的一致性匹配、两光子干涉的高能见度、量子态的片上检测，以及整个系统的长期稳定运行，仍是量子光子集成技术面临的核心挑战。

创新研究

在该研究中，研究团队在薄膜铌酸锂平台上构建了一套高度可编程的量子光子集成电路，并首次将双光子纠缠态的生成、干涉调控以及量子态层析测量等功能全部集成在同一片芯片上。

整个电路以两段周期极化的铌酸锂波导作为片上光子对源，通过连续波泵浦便可在毫米级波导中高效地产生光子对。这两套光子对源在相位匹配、光谱特性和转换效率上具有高度一致性，使得光源之间具备实现高可见度量子干涉的基础条件。

紧随光源之后，芯片内部集成了多个由马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉结构和热光相位调制器组成的可调控光路，这些结构能够精确控制泵浦光在两条光源路径间的分布与相对相位，也能够灵活调节两光子在不同路径上的干涉方式。借助这些可控参数，研究人员得以在同一片芯片上生成不同类型的双光子路径纠缠态，实现了包括四种Bell 态在内的多种双光子量子态的稳定输出。

值得强调的是，芯片在两光子干涉测试中表现出的近乎完美的可见度，两套独立光源产生的光子在时间、频率和空间模式上均高度一致，这对于任何基于多源的量子光子电路而言都是至关重要的性能指标。此外，研究团队不仅实现了纠缠态的片上生成，还将量子态层析所需的投影测量模块同样集成在芯片末端，使得量子态的测量也可以在无需外部光学器件的情况下完成。通过调节片上的投影相位并组合不同的干涉输出，研究人员能够快速获取重建密度矩阵所需的全部测量结果，从而实现对片上纠缠态的全面量化评估。实验结果显示，无论是基础计算还是纠缠态，其保真度均达到较高水准，充分证明了可编程电路在量子态制备和操控方面的稳定性与可靠性。

这些创新共同构成了一套高度集成，且能够灵活配置的片上量子光子系统。该研究通过将高亮度自发参量下转换光源、可调干涉网络和态层析模块深度结合，不仅展示了薄膜铌酸锂平台在量子光子学中的潜力，也为未来构建多光子量子处理器提供了一个实际可行的范例。随着集成密度的进一步提高，这类架构有望扩展到更高维度的量子态制备与更复杂的量子信息处理任务之中，为量子光子技术的规模化发展奠定坚实基础。

图1:薄膜铌酸锂平台上的光子量子电路的工作原理示意图。(a) 连续波泵浦光（λp=775nm）通过光栅耦合器耦合到芯片，并由马赫-曾德尔干涉仪分束。这在两个周期性极化的波导中产生光子对的叠加态，该叠加态被分成两个双轨编码的量子比特，从而形成纠缠的贝尔态。集成的热光移相器和MZI用于变换和投影生成的双量子比特态。(b) 最终光子集成电路的图像，包括电气封装。(c) 波导蚀刻前周期性极化区域的双光子显微镜图像。(d) 集成热光移相器的MZI的显微镜图像。(e) 不同的泵浦方案产生不同的状态，这取决于泵浦相位φ1。(f) 双量子比特图像中的等效量子电路表示。

图2：片上干涉性质表征和投影测量。(a) 重构相位φ₂和θ₂的热光移相器的校准测量。虚线为校准拟合曲线。插图为简化的电路示意图。(b) 用于Bell态量子态层析的过完备投影集。实验测得的概率与理论预期结果以及使用全局最小化算法获得的最佳拟合结果进行比较。(c) 使用来自独立光源的光子对进行双光子干涉测量，可见度 V 为 99.0 ± 0.7%。

总结与展望

这项研究展示了一种在薄膜铌酸锂平台上构建可编程量子光子电路的全新路径，通过将高亮度的片上光子对源、可重构干涉网络以及量子态层析所需的投影测量模块集成在同一片芯片上，研究团队实现了纠缠态制备与测量的真正片上化。更为重要的是，这项工作不仅证明了薄膜铌酸锂能够支撑高性能的量子光子器件，更展示了其作为大规模集成量子电路平台的潜力。

未来随着光纤耦合损耗的进一步降低、片上单光子探测器的协同集成以及更高密度光路布局的成熟，这种可编程量子光子电路有望进一步扩展到多光子纠缠态的制备，例如 GHZ 态或更大规模的集合态，并成为构建量子计算模块、量子网络节点以及量子传感系统的重要基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02150-z