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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心、“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”王劍威研究員和龔旗煌院士課題組與合作者在光量子計(jì)算芯片研究中取得重要進(jìn)展。面向通用量子計(jì)算的應(yīng)用，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在硅基集成光量子芯片上實(shí)現(xiàn)了八量子比特簇態(tài)量子計(jì)算模型機(jī)，驗(yàn)證了量子糾錯(cuò)編碼對(duì)量子計(jì)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(tuán)隊(duì)受《自然綜述物理》（Nature Review Physics）邀請(qǐng)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(shí)現(xiàn)了一款面向通用量子計(jì)算應(yīng)用的八量子比特簇態(tài)光量子計(jì)算芯片。該芯片可通過編程調(diào)控實(shí)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(dá)到80%，為基于測量的通用量子計(jì)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(jià)量子比特和可實(shí)現(xiàn)任意糾纏操控的方式，驗(yàn)證了物理量子比特編碼邏輯量子比特的糾錯(cuò)方案，比較了物理比特簇態(tài)量子計(jì)算和糾錯(cuò)邏輯比特簇態(tài)量子計(jì)算的性能。實(shí)驗(yàn)證明了糾錯(cuò)邏輯比特簇態(tài)量子計(jì)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(jì)算芯片有望應(yīng)用于近期含噪量子計(jì)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(cuò)》（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(yùn)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(jì)算的硅基光量子計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)了八量子比特簇態(tài)光量子計(jì)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(jì)算架構(gòu)下驗(yàn)證了典型量子計(jì)算算法，并驗(yàn)證了量子糾錯(cuò)編碼對(duì)量子計(jì)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(tuán)隊(duì)，中山大學(xué)劉進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)與合作者合作，主要撰寫光量子計(jì)算和量子模擬芯片部分。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jì)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(diǎn)、經(jīng)費(fèi)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(jī)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(jì)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了高斯玻色取樣專用型光量子計(jì)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(jì)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)）