2025年2月20日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所王劍威教授和龔旗煌教授課題組與山西大學(xué)蘇曉龍教授課題組合作，在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表一項(xiàng)以《基于集成光量子頻率梳芯片的連續(xù)變量多體量子糾纏》（“Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb”）為題的突破性研究成果

Nature審稿人高度評價(jià)并指出：“這項(xiàng)工作首次在光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)多比特連續(xù)變量量子糾纏，這一成果為可擴(kuò)展量子信息處理奠定了重要里程碑?！保═his is the first time that multipartite entanglement is realized on an optical chip, which constitutes an important milestone for scalable quantum information）

這是在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量簇態(tài)量子糾纏，為光量子芯片的大規(guī)模擴(kuò)展及其在量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)

我們一起扒一扒這篇論文：

劃重點(diǎn)：

關(guān)鍵詞一： 集成微梳（Integrated Microcomb） 這次的量子糾纏，是在一個(gè) 集成了微梳的微型芯片 上實(shí)現(xiàn)的。微梳就像一個(gè)精密的“頻率梳子”，能產(chǎn)生多頻率的光，為量子信息的編碼和處理提供了強(qiáng)大的工具

關(guān)鍵詞二： 連續(xù)變量（Continuous-Variable）別再只盯著“量子比特”啦！這次玩的是更高級的“量子模式”（qumodes），信息被編碼在光的“連續(xù)”屬性中，比如光的振幅和相位。 相比傳統(tǒng)的“離散變量”，連續(xù)變量量子計(jì)算在 確定性生成和糾纏 方面更有優(yōu)勢！

關(guān)鍵詞三： 八方糾纏 (Eight-Mode Entanglement)單打獨(dú)斗已經(jīng)out了，現(xiàn)在流行“團(tuán)戰(zhàn)”！這次直接搞定了 八個(gè)量子模式的糾纏，而且是 確定性的生成！意味著我們向著構(gòu)建 大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī) 又邁出了堅(jiān)實(shí)一步！

圖1 基于集成頻率梳微腔的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)制備、調(diào)控與探測原理和方案圖

這項(xiàng)研究到底牛在哪兒？

簡單來說，這項(xiàng)研究解決了量子科技發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵難題： 如何高效、穩(wěn)定地生成和操控大規(guī)模量子糾纏態(tài)

傳統(tǒng)挑戰(zhàn)： 以往的量子糾纏研究，大多停留在 兩個(gè)量子模式 之間，而且在 芯片上實(shí)現(xiàn)單光子互動(dòng)非常困難。想擴(kuò)展到更多量子比特，難度指數(shù)級上升！

中國方案： 這次研究人員巧妙地利用 集成微梳技術(shù) 和 連續(xù)變量量子信息 的優(yōu)勢，就像是找到了量子世界的“高速公路”，一下子把糾纏的“車道”拓展到了八條！

更細(xì)致地解讀一下論文亮點(diǎn)：

1. 確定性生成多方糾纏： 區(qū)別于以往概率性的量子糾纏生成，這次是 確定性的！要啥有啥，指哪打哪，量子資源的控制力大大提升！

2. 片上集成，微型化突破： 所有操作都在一塊小小的芯片上完成！這意味著量子系統(tǒng)可以更加 小型化、集成化，為未來的便攜式量子設(shè)備鋪平了道路

3. 超寬頻率范圍糾纏： 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在數(shù)百兆赫茲的邊帶頻率上都存在超模多方糾纏，這表明該技術(shù)具有很高的帶寬和擴(kuò)展?jié)摿Γ?/span>

4. 精確表征糾纏結(jié)構(gòu)： 通過測量零化子相關(guān)矩陣，科學(xué)家們還深入分析了糾纏的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它近似于預(yù)期的簇狀結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建特定類型的量子網(wǎng)絡(luò)提供了理論依據(jù)

5. 潛在應(yīng)用前景廣闊： 論文明確指出，這項(xiàng)技術(shù)為量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感 等領(lǐng)域打開了新的大門！想象一下，未來的量子計(jì)算機(jī)、量子互聯(lián)網(wǎng)，或許就藏在這樣的微型芯片里！

圖2 不同糾纏結(jié)構(gòu)的連續(xù)變量簇態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（A）零化子；（B）不同糾纏結(jié)構(gòu)簇態(tài)；（C）van Loock-Furusawa判據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（D）100MHz寬帶糾纏判定

寫在最后

需要強(qiáng)調(diào)的是北大的這篇論文取得的技術(shù)突破首次在國際上實(shí)現(xiàn)了基于集成光量子芯片的連續(xù)變量糾纏簇態(tài)的確定性制備、可重構(gòu)調(diào)控與嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

這項(xiàng)技術(shù)突破標(biāo)志著集成光量子芯片技術(shù)在量子信息處理領(lǐng)域的重要突破，為量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐