《Chip》发表上海交大金贤敏团队量子纠缠拓扑保护光子芯片最新成果
FUTURE | 远见 闵青云 文
近日，上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队的最新研究成果「Topologically Protected Polarization Quantum Entanglement on a Photonic Chip」发表于全球新锐综合性研究期刊Chip，第一作者为王耀博士。该研究成果在光子芯片上展示了拓扑态对光子纠缠的保护。研究团队实验发现即使芯片材料会在相空间中引入相对极化旋转，量子纠缠态依然能够被拓扑态很好地保护。
拓扑光子学从凝聚态物理中发展而来，最初的目的是对光子进行拓扑保护，使其免受由于加工导致的晶格散射以及无序影响。众多研究都表明拓扑相具有保护物理场的能力。受此启发，研究团队认为这种拓扑相的保护能力或许可以被推广到量子领域并用来保护量子纠缠，这可以在量子纠错(quantum error correction)和拓扑量子计算(topological quantum computing)两个方法之外为保护量子关联找到另外一条可选的道路。
研究团队利用三维激光直写技术构建了具有拓扑边界态的晶格，将相互纠缠的两个光子分别注入晶格的边界态和体态。在边界态中光子保持了较好的局域性，而在体态中光子则弥散在波导阵列中。通过在波导阵列的末端对纠缠光子对进行态层析测量发现，在边界态中的两个光子间的量子纠缠还保持在很好的水平，基本和注入之前的值保持在同一水平。与此对应的是，在体态中的光子纠缠则发生了明显的下降。
实验测量得到的纠缠光子对的态层析结果
研究团队在得到拓扑相可以很好地保护量子纠缠的结果上，进一步探索纠缠态在晶格的动力学演化过程中究竟发生了什么，这可以帮助我们找出拓扑平庸晶格中纠缠被破坏的原因。研究团队利用过程层析去揭示纠缠态在晶格中经历的细节，了解光子晶格中纠缠态的真实变化。通过过程层析结果，研究团队发现纠缠态在芯片中的扩散演化中可能存在弱测量效应，表现即为并发性降低的同时保持了纠缠纯度。这种弱测量效应源于水平极化和垂直极化光子在波导间的耦合强度差异。
量子过程层析和拓扑保护的纠缠态纯度，以及双注入情况下的量子态层析
此外研究团队还探索了芯片中纠缠态的并发性和纯度随纠缠源泵浦功率的变化。研究发现在拓扑平庸情况下，随着泵浦功率的减小，纠缠光子的纯度也会降低，而在拓扑情况下，纠缠态的并发性和纯度都保持不变。在拓扑平庸情况下，由于扩散引起的弱测量效应破坏了纠缠。同时，在扩散过程中也会出现光子对的损失。在高泵浦功率的情况下，光子对损失对光子态纯度的影响很小，这是因为源的高符合数（即纠缠光子对的数目）保证了我们能够探测到足够的光子从而重构注入的纠缠态。相比之下，在泵浦功率较低的情况下，可以检测到的光子对数量明显降低，这意味着用于重构纠缠态的信息丢失严重，因此相应的得到的纠缠态的纯度自然会降低。与此相反，在拓扑情况下，即使泵浦功率较低，微弱的测量效应和光子对损耗也可以忽略不计，从而保证了纠缠态的并发性和纯度。结果表明，拓扑态的约束效应对量子纠缠抵抗退相干具有更全面的保护机制，这种能力在纠缠源的泵浦功率较低的情况下表现更加明显。
芯片中纠缠光子的并发性和纯度随泵浦功率的变化
此前，美国《科学》（Science）杂志就以「Protecting the quantum」为题报道了该研究团队的量子关联拓扑保护的研究成果。《科学》杂志高级主编Ian Osborne撰文指出，单光子因为具有鲁棒性、高带宽、以及能远距离传输等特点，是理想的量子信息载体。然而，对于芯片化应用，光子不可避免与环境媒体相互作用从而导致损耗。这一现象不仅导致光子间的非经典关联消失，可能对脆弱的纠缠光子影响更大。
此次工作与该团队的一系列工作一同将拓扑相的保护机制推广到量子领域用来直接保护量子关联，这标志着这是一个新的保护量子性质的方法。与此同时，研究团队在文中展示的量子拓扑光子学这一全新研究方向是拓扑物理与量子信息的交叉，近期国际上多个小组在该方向有重要突破。该团队近期也完成了一系列研究工作，包括单光子态以及量子关联的拓扑保护，为进行拓扑量子模拟和量子计算提供了新的方向。
美国马萨诸塞大学的Richard A. Soref教授评价该篇文章「目前在Chip官网上发表的头两篇文章(笔者注: 另一篇指南方科技大学翁文康团队发表的Chip首刊封面文章)， 都属于纳米光子学的大方向，这是我本人最喜爱的前沿研究领域之一。这两篇文章，均令人印象深刻。」
Richard A. Soref教授为硅基、锗基光学芯片领域的世界知名科学家，美国光学会（OSA）及电气电子工程师学会（IEEE）终身会士，美国国家发明家科学院（NAI）院士，同时担任Chip期刊编委。
该文的通讯作者金贤敏教授表示「未来芯片科学的发展，对于中国乃至全世界都有着极其重大和长远的战略意义；在当前全球芯片行业亟待突破传统技术瓶颈，以及我国实施芯片国家战略的宏大背景下，Chip期刊应运而生，以其聚焦芯片，兼容并包的办刊理念『All About Chip』和对标世界顶级学术刊物的办刊标准，在创刊之初就吸引了大量全球知名科学家加入其编委会。这些都预示着Chip未来在各芯片相关科研领域的强大学术影响力。因此，非常高兴能将自己团队近期最得意的研究成果发表在Chip首刊上（该文在正式发表前已被引用10余次）。」金教授同时也鼓励更多的海内外专家学者将自己的优秀研究成果投向Chip。
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https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2709472322000016
关于 Chip
Chip是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，已入选由中国科协、教育部、科技部、中科院等单位联合实施的「中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目」，为科技部鼓励发表「三类高质量论文」期刊之一。
Chip期刊由上海交通大学与Elsevier集团合作出版，并与多家国内外知名学术组织展开合作，为学术会议提供高质量交流平台。
Chip秉承创刊理念: All About Chip，旨在发表与芯片相关的各科研领域尖端突破，助力未来芯片科技发展。迄今为止，Chip已在其编委会汇集了来自12个国家的57名世界知名专家学者，其中包括多名中外院士及IEEE、ACM等知名国际协会终身会士（Fellow）。
Chip首刊将于2022年3月以完全开放获取形式发布。敬请期待！
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