光量子芯片间的量子受控非门隐形传输

近日，中国科大郭光灿院士团队在量子互联领域取得重要进展。该团队任希锋教授研究组首次成功实现了两个光量子集成芯片之间的量子受控非门（CNOT门）隐形传输，为构建基于光量子集成芯片的大规模量子网络，实现分布式量子计算等量子信息处理任务提供关键技术支撑。该成果发表于物理学知名期刊Physical Review Letters（《物理评论快报》）上，论文题为“Chip-to-Chip Quantum Photonic Controlled-not Gate Teleportation”。

构建大规模量子网络的关键在于实现高集成度、可扩展的量子节点，以及节点间高保真度的量子互联。光量子集成芯片是实现此网络极具前景的平台。在此网络中，不同节点量子比特间的量子门操作至关重要，而最具挑战性的便是实现高保真的CNOT门隐形传输以纠缠远程量子比特，这是分布式量子计算的核心步骤。其实现过程极为复杂：需在两个量子节点间共享纠缠光子对，并在每个节点内执行高精度、复杂的片上线性光学量子操作，对器件性能要求极高。

为解决这一难题，研究团队提出一种基于高维路径编码的硅光量子芯片系统，通过路径纠缠光源、线性光学操作单元、波导交叉器和偏振-路径转换器(PBRC)等关键器件，采用单模光纤连接两芯片，实现CNOT门隐形传态以纠缠远程量子比特。

研究团队利用量子态层析和量子过程层析技术，对所实现的片间隐形传输逻辑门性能进行了严格验证：在5米光纤互联距离下，门控态保真度高达95.69%，逻辑门过程保真度为94.81%；将互联光纤拓展至1公里后，门控态保真度仍高达94.07%，逻辑门过程保真度为93.04%。

这项成果标志着在光量子集成芯片间实现核心量子逻辑操作方面取得了重大突破。即使在公里级距离上，CNOT门的隐形传输仍能保持极高的保真度，为构建基于光量子集成芯片的大规模量子网络和实现分布式量子计算等量子信息处理任务奠定了坚实的技术基础。

不同节点间量子受控非门隐形传输的原理图和芯片示意图

文章第一作者为量子网络安徽省重点实验室冯兰天副研究员，通讯作者为任希锋教授。浙江大学戴道锌教授、张明副教授、硅臻芯片丁禹阳博士参与了该工作。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省及中国科学技术大学的大力支持。