物理学院极端光学研究团队在大规模集成光量子芯片上多路径波粒二象性研究中取得重要进展

北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心王剑威研究员、何琼毅研究员和龚旗煌院士等与中国科学院微电子研究所、首都师范大学和奥地利科学院合作在光量子芯片上多路径波粒二象性研究中取得重要科学进展。他们实现了一款大规模集成的可编程硅基光量子芯片,在量子延迟选择实验框架下,将波粒二象性的互补性关系推广至多路复杂量子体系。

波粒二象性是量子力学的一个核心概念,有关实验研究往往集中于杨氏双缝或马赫-曾德尔双路径干涉系统。在复杂多缝或多路径量子体系中,粒子的波粒二象性是否依旧遵循互补性关系、是否存在普适化准则,以及如何有效刻画多模式量子相干性等,迄今未被实验揭示和验证。

北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心极端光学创新研究团队与合作者发展了大规模硅基集成的可重构光量子芯片技术,近期研制了一款可惠勒延迟选择测量装置的多路径马赫-曾德尔干涉仪。该芯片单片集成350多个光子元器件和近100个可调相移器,是目前规模最大的光量子芯片之一(见下图)。利用该芯片,联合研究团队开发了量子纠缠片上产生、量子受控型d模式普适化分束器、d模式普适化马赫-曾德尔干涉仪以及量子态重构等功能器件和模块。他们验证了多路径干涉体系中的玻恩准则,测得-0.0031 ±0.0047的Sorki参数,与已发表文献中最精确测量的结果齐平,排除了高阶干涉的存在。通过相干纠缠量子态和量子过程,实现了一种量子受控的d模式分束器,其状态决定了d模式观测仪器的状态,从而可在惠勒延迟选择条件下观测粒子的多路径波粒二象性。图中分别为单光子在2、4和8-路径干涉仪所观测到的粒子性和波动性分布图,表明在多路径量子体系中存在更丰富的多模式量子化特性和多路径量子相干性。通过测量多模式粒子性D和多路径量子相干性C,首次在多路径量子体系中验证了普适化玻尔不等式C2+D2≤1。此外,他们还展示了对高维量子相干性的直接探测和高维随机数的产生。这项研究有助于更深入地理解复杂高维量子体系的基础物理特性,发展大规模集成光量子芯片调控技术有望推动高维量子信息技术进一步发展。

A.大规模集成的可编程硅基光量子芯片线路示意图和芯片实物图;B-G.片上延迟实验条件下观测到的多路径波动性和粒子性转化分布,可看出实验结果和理论分析高度一致(F值);H-M.多路径量子体系中普适化玻尔不等式的实验验证

5月7日,相关研究成果以“A generalised multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip(基于大规模集成光量子芯片的多路径普适化波粒二象性研究)”为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications12, 2712 (2021))。北京大学物理学院2018级博士生陈晓炯、2017级本科生邓曜昊、2018级博士生刘殊恒为共同第一作者,王剑威、何琼毅、龚旗煌和中国科学院微电子研究所杨妍研究员为共同通讯作者,首都师范大学费少明教授、中国科学院微电子研究所李志华研究员和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所Marcus Huber教授亦参与研究工作。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、广东省重点领域研发计划等支持。

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