中国科大在光量子芯片领域取得重要进展

2021年06月15日

中国科大在光量子芯片领域取得重要进展

我校郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与中山大学董建文、浙江大学戴道锌等研究组合作，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了量子干涉，相关成果以“编辑推荐文章( Editors' Suggestion)”的形式6月11日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

拓扑光子学由于具有鲁棒性的能量输运性质，在光子芯片研究方向具有实用化的应用前景。产生拓扑相变的关键在于通过破坏系统的时间反演对称性或空间反演对称性，以在能级简并点产生能隙，从而形成受拓扑保护的边界态。对于空间反演对称性被破坏的系统，在拓扑数不同的区域组成的边界处，能支持能谷相关的方向性传播的边界态模式，即光子能谷霍尔效应。具有不同亚晶格能量的周期排布的六角光子晶体结构可实现这样的能谷光子拓扑绝缘体，从而可用于构建更加紧凑的急剧弯折的光学线路，提高光子芯片的器件集成度和鲁棒性。近年来拓扑结构中鲁棒性的量子态传输成为热门的研究方向，而量子干涉作为光量子信息过程的核心，尚未在拓扑保护光子晶体芯片中实现。

任希锋研究组与中山大学董建文课题组合作在硅光子晶体体系中设计并制备出了“鱼叉”形的拓扑分束器结构。他们发现六角晶格结构的光子晶体中的电场相位涡旋方向依赖于不同拓扑陈数的晶格结构以及其所处的能带位置，可以构造出两种不同结构的拓扑边界。基于能谷相关方向性传输的机理，设计并加工了拐角可达到120度的“鱼叉”形拓扑分束器，并在此结构上演示了高可见度的双光子干涉过程，干涉可见度达到95.6%。进一步通过级联两个拓扑分束器结构演示了片上路径编码量子纠缠态的产生。

该成果为拓扑光子学特别是能谷光子拓扑绝缘体结构应用于更加深入的量子信息处理过程提供了一个新的思路，审稿人一致认为这是一个有趣且重要的研究工作，并给出高度评价：“This is an interesting and important work （这是一个有趣而且重要的工作）”“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing（这个结果非常有趣，特别的，器件中实现的HOM干涉过程可能对高保真片上量子信息处理起到重要作用）”。

中科院量子信息重点实验室任希锋教授、中山大学董建文教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室博士生陈阳和中山大学博士后何辛涛为论文共同第一作者，浙江大学戴道锌研究组参与工作。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.230503

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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祝贺多方合作取得成果。