《Light: Science & Applications》:基于LNOI的可重构量子芯片实现>90%保真度贝尔态

0 1摘要

近日,苏黎世联邦理工学院的研究团队在《Light: Science & Applications》发表重要成果,成功在薄膜铌酸锂光子芯片上实现了可编程的纠缠贝尔态生成(https://doi.org/10.1038/s41377-025-02150-z)。该芯片集成了两个高亮度光子对源与可重构干涉单元,无需外部复杂光学系统即可直接制备多种量子态,保真度超过90%,标志着集成量子光子学向实用化、系统化迈出关键一步。

0 2 核心内容

研究团队设计并制备了一款单片集成光子芯片,核心突破在于:

双源干涉架构:在同一芯片上集成两个周期性极化铌酸锂波导,作为独立光子对源;

全相位可编程:通过热光相位调制器动态调控泵浦与干涉相位,实现量子态实时重构;

片上态层析系统:集成马赫‑曾德尔干涉仪,支持直接在芯片上完成量子态投影测量,无需外部复杂光路。

关键性能指标:

光子对源亮度:26MHz mW⁻¹nm⁻¹(领先同类集成器件);

两光子干涉可见度:99.0 ± 0.7%;

贝尔态保真度: > 90%,最高达93.1%;

态重构时间:仅需约 30 秒。

0 3 研究意义

这项成果不仅是器件性能的提升,更是量子光子集成技术路径的重要示范:

1.技术路线更优:相比广泛研究的硅基四波混频源,该芯片利用铌酸锂固有的二阶非线性效应,仅需毫米级直波导和连续波泵浦即可实现高亮度,避免双光子吸收等限制,更适合扩展与集成。

2.系统集成突破:首次在铌酸锂平台上实现"光源+电路+探测接口"的全功能集成,证明该平台具备支撑复杂量子信息处理系统的能力。

3.通往实用化的关键一步:高保真度、高亮度、快速重构等特性,使得该类芯片可望直接应用于量子密钥分发、量子计算原型、分布式量子网络等场景,加速量子技术从实验室走向应用。

0 4 结语

"我们展示的不仅是一个高性能芯片,更是一个可编程的量子态生成平台,"论文作者之一Andreas Maeder表示,"这项工作证明,铌酸锂薄膜技术能够支撑从量子源到量子操作的完整功能集成,这是实现可扩展量子信息处理的关键基础。"

随着量子技术竞争进入"集成化"阶段,此类芯片级解决方案正成为各国研发的重点。这片不足指甲大小的铌酸锂芯片,或许正是未来量子网络中的一颗"信号发生器",悄然推动着下一次信息革命的到来。

图1:LNOI电路的工作原理与制备结果

图2:校准光子对源的表征测量结果

图3:干涉表征与投影测量结果

图4:重构密度矩阵结果

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