人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”王劍威研究員與英國、丹麥學者合作，實現了一款面向通用量子計算應用的八量子比特簇態光量子計算芯片。該芯片可通過編程調控實現不同結構的量子圖態和量子簇態，包括星型、鏈型和框型等結構，量子糾纏態保真度約達到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等價量子比特和可實現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量子計算和糾錯邏輯比特簇態量子計算的性能。實驗證明了糾錯邏輯比特簇態量子計算，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% 。硅基可編程簇態光量子計算芯片有望應用于近期含噪量子計算的相關應用。2021年9月27日，相關研究成果以“硅基光量子芯片上量子比特糾錯”（Error-protected qubits in a silicon photonic chip）為題，在線發表于《自然·物理》（Nature Physics）；布里斯托爾大學Caterina Vigliar博士為論文第一作者，北京大學王劍威研究員、丹麥科技大學丁運鴻教授和布里斯托爾大學Anthony Laing教授為共同通訊作者。
圖1 面向通用量子計算的硅基光量子計算芯片，實現了八量子比特簇態光量子計算芯片。通過編程重構量子芯片，制備了不同圖量子糾纏態，在基于測量的量子計算架構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。
本實驗室王劍威研究員和龔旗煌院士課題組與中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授團隊，中山大學劉進教授團隊，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“集成光學量子信息技術的全球發展展望”（The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies），于2021年12月23日在線發表。愛爾蘭科克大學Emanuele Pelucchi博士為第一作者，帕德博恩大學Klaus J?ns教授為通訊作者，北京大學團隊與合作者合作，主要撰寫光量子計算和量子模擬芯片部分。聯合研究團隊分析、總結了全球范圍內光量子芯片技術的發展現狀和應用前景：詳細闡述了光量子芯片的先進材料體系、關鍵集成光量子器件、量子基礎物理探索、前沿量子信息應用，包括量子計算、量子模擬、量子通信、量子精密測量等；歸納總結了亞洲、北美洲、歐洲和澳洲在光量子芯片領域的研究重點、經費支持和成果轉化等；分析了光量子芯片發展所面臨的挑戰和機遇，有望充分融合大規模集成光學技術和量子信息技術，為量子計算、模擬、通信和精密測量等帶來新的變革。
圖2 集成光量子芯片示意圖
上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，以及量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心、北京大學長三角光電科學研究院和北京量子信息科學研究院的支持。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域取得了一系列重要研究成果，包括發展了國際上集成度最高的大規模硅基光量子芯片技術和片上高維度量子信息技術（Science 360, 285 (2018)），首次實現了片上四光子真糾纏和芯片間量子隱形傳態（Nature Physics 16, 148 (2020)），首次實現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)），及受邀撰寫了集成光量子芯片技術綜述（Nature Photonics 14, 273 (2020)；中國科學：物理學力學天文學 50(8), 084216(2020)）等。
論文鏈接：
《自然·物理》https://www.nature.com/articles/s41567-021-01333-w
《自然綜述物理》https://www.nature.com/articles/s42254-021-00398-z
