近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學(xué)中心、“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”王劍威研究員和龔旗煌院士課題組與合作者在光量子計算芯片研究中取得重要進展。面向通用量子計算的應(yīng)用，聯(lián)合研究團隊在硅基集成光量子芯片上實現(xiàn)了八量子比特簇態(tài)量子計算模型機，驗證了量子糾錯編碼對量子計算性能的提升具有重要作用，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）；研究團隊受《自然綜述物理》（Nature Review Physics）邀請撰寫光量子芯片綜述論文，總結(jié)并分析了全球范圍內(nèi)集成光學(xué)量子信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

研究成果以封面文章形式在《自然·物理》發(fā)表

王劍威研究員與英國、丹麥學(xué)者合作，實現(xiàn)了一款面向通用量子計算應(yīng)用的八量子比特簇態(tài)光量子計算芯片。該芯片可通過編程調(diào)控實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的量子圖態(tài)和量子簇態(tài)，包括星型、鏈型和框型等結(jié)構(gòu)，量子糾纏態(tài)保真度約達到80%，為基于測量的通用量子計算（measurement-based quantum computation）提供了重要的硬件資源。通過片上高維量子態(tài)等價量子比特和可實現(xiàn)任意糾纏操控的方式，驗證了物理量子比特編碼邏輯量子比特的糾錯方案，比較了物理比特簇態(tài)量子計算和糾錯邏輯比特簇態(tài)量子計算的性能。實驗證明了糾錯邏輯比特簇態(tài)量子計算可顯著提升量子門操作的保真度，提高量子隱形傳態(tài)和量子相位估算等算法和功能的性能，例如可將量子相位估算的正確概率從62.5% 提升至95.8% 。硅基可編程簇態(tài)光量子計算芯片有望應(yīng)用于近期含噪量子計算的相關(guān)應(yīng)用。2021年9月27日，相關(guān)研究成果以《硅基光量子芯片上量子比特糾錯》（Error-protected qubits in a silicon photonic chip）為題，在線發(fā)表于《自然·物理》（Nature Physics）；布里斯托爾大學(xué)Caterina Vigliar博士為論文第一作者，王劍威研究員、丹麥科技大學(xué)丁運鴻教授和布里斯托爾大學(xué)Anthony Laing教授為共同通訊作者。

面向通用量子計算的硅基光量子計算芯片，實現(xiàn)了八量子比特簇態(tài)光量子計算芯片。通過編程重構(gòu)量子芯片，制備了不同圖量子糾纏態(tài)，在基于測量的量子計算架構(gòu)下驗證了典型量子計算算法，并驗證了量子糾錯編碼對量子計算性能的提升具有重要作用

王劍威研究員和龔旗煌院士課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、陸朝陽教授團隊，中山大學(xué)劉進教授團隊，以及來自德國、愛爾蘭、美國、澳大利亞、奧地利、日本、荷蘭和意大利學(xué)者等合作，受邀為《自然綜述物理》（Nature Review Physics）撰寫的綜述論文《集成光學(xué)量子信息技術(shù)的全球發(fā)展展望》（The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies），于2021年12月23日在線發(fā)表。愛爾蘭科克大學(xué)Emanuele Pelucchi博士為第一作者，帕德博恩大學(xué)Klaus J?ns教授為通訊作者，北京大學(xué)團隊與合作者合作，主要撰寫光量子計算和量子模擬芯片部分。聯(lián)合研究團隊分析、總結(jié)了全球范圍內(nèi)光量子芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景：詳細(xì)闡述了光量子芯片的先進材料體系、關(guān)鍵集成光量子器件、量子基礎(chǔ)物理探索、前沿量子信息應(yīng)用，包括量子計算、量子模擬、量子通信、量子精密測量等；歸納總結(jié)了亞洲、北美洲、歐洲和澳洲在光量子芯片領(lǐng)域的研究重點、經(jīng)費支持和成果轉(zhuǎn)化等；分析了光量子芯片發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和機遇，有望充分融合大規(guī)模集成光學(xué)技術(shù)和量子信息技術(shù)，為量子計算、模擬、通信和精密測量等帶來新的變革。

集成光量子芯片示意圖

上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃，以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院和北京量子信息科學(xué)研究院的支持。

近五年，王劍威研究員和龔旗煌院士團隊在硅基光量子芯片領(lǐng)域取得了一系列重要研究成果，包括發(fā)展了國際上最高集成度的大規(guī)模硅基光量子芯片技術(shù)和片上高維度量子信息技術(shù)【Science 360, 285 (2018)】，首次實現(xiàn)了片上四光子真糾纏和芯片間量子隱形傳態(tài)【Nature Physics 16, 148 (2020)】，首次實現(xiàn)了高斯玻色取樣專用型光量子計算芯片【Nature Physics 15, 925 (2019)】，研制了面向含噪量子信息應(yīng)用的光量子計算和量子模擬芯片【Nature Physics 13, 551 (2017), Science Advances 4, 9646 (2018)】，首次在大規(guī)模光量子芯片上證明了廣義的多路徑波粒二象性【Nature Communications 2, 2712 (2021)】，以及受邀撰寫了集成光量子芯片技術(shù)綜述【Nature Photonics 14,273 (2020)；《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》50(8), 084216(2020)】等。（來源：北京大學(xué)）