近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所李浩、舒志運、尤立星等在超導(dǎo)-硅光集成光量子芯片方面取得進展，并完成低溫節(jié)點間可拓展量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，相關(guān)成果以“Multiuser entanglement distribution network across cryogenic nodes enabled by integrated photonic chips"為題發(fā)表于一區(qū)學(xué)術(shù)期刊npj Quantum Information（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41534-026-01262-7）。

圖 1 低溫芯片間的量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實驗示意圖

隨著量子信息科學(xué)的快速發(fā)展，可拓展量子網(wǎng)絡(luò)憑借其能夠向多個用戶節(jié)點分發(fā)糾纏資源的特性，將成為實現(xiàn)分布式量子計算、量子保密通信與量子精密測量等應(yīng)用的核心基礎(chǔ)設(shè)施。實際應(yīng)用中，量子點、離子阱與量子存儲等多類量子節(jié)點均工作在極低溫環(huán)境中。為了走向量子網(wǎng)絡(luò)的實際部署，如何實現(xiàn)低溫節(jié)點間的互聯(lián)尤為重要，這給量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來了挑戰(zhàn)。

針對這一前沿難題，研究團隊在前期成功研制出單片異質(zhì)集成泵浦濾波與單光子探測功能的糾纏接收芯片的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了基于集成光子芯片、跨越多個低溫量子節(jié)點的可拓展多用戶糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（如圖1）。該方案中，研究團隊基于自發(fā)四波混頻效應(yīng)，利用一個包含1厘米長硅螺旋波導(dǎo)的光子芯片作為糾纏發(fā)送芯片，將其放置于2.2 K的極低溫環(huán)境中，并向其他低溫節(jié)點供給寬帶能量-時間糾纏光子對。隨后，這些糾纏光子對通過標準的密集波分復(fù)用器進行多路復(fù)用，并分發(fā)至處于極低溫環(huán)境中的多個糾纏接收芯片。

每個糾纏接收芯片都單片異質(zhì)集成了硅基無源泵浦濾波器與超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD），能夠在探測之前將毫瓦級別的強泵浦光濾除，以避免對糾纏光子對的接收產(chǎn)生影響。實驗測得在2.2 K的工作溫度下，片上泵浦濾波器的濾波抑制比超過56 dB，兩組片上SNSPD的系統(tǒng)探測效率分別達到7.1%與6.5%（如圖2）。

圖 2 低溫芯片制備結(jié)果及性能表征

為了驗證該方案的可行性，研究團隊使用十個糾纏光子波長通道，構(gòu)建了一個五用戶節(jié)點的全連接量子網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下，每位用戶節(jié)點均可接收四個不同波長通道的糾纏光子，從而實現(xiàn)任意兩兩用戶之間糾纏通道的建立。在兩組非正交測量基下，實驗測得所有十個通道組合的Franson雙光子干涉原始可見度均超過86%（如圖3），顯著違背了貝爾不等式，證明了該量子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在低溫節(jié)點間的成功建立，展現(xiàn)了其在未來實用化、可拓展量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的應(yīng)用潛力。

圖 3 所有十組糾纏通道組合的雙光子干涉表征結(jié)果

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士后舒志運，通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員。該研究得到了科技創(chuàng)新2030重大項目（2023ZD0300100）、上海市量子重大專項（2019SHZDZX01） 以及國家自然科學(xué)基金（U24A20320, 62401554）的資助。

參考文獻： 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所

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