中國科大光量子芯片領域取得重要進展，首次在拓撲保護光子晶體芯片中實現量子干涉

中國科學技術大學今天發文稱，中國科大在光量子芯片領域取得重要進展。

中國科大表示，我校郭光燦院士團隊在光量子芯片研究中取得重要進展。該團隊任希鋒研究組與中山大學董建文、浙江大學戴道鋅等研究組合作，基于光子能谷霍爾效應，在能谷相關拓撲絕緣體芯片結構中實現了量子干涉，相關成果以“編輯推薦文章 ( Editors Suggestion)”的形式 6 月 11 日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。

拓撲光子學由于具有魯棒性的能量輸運性質，在光子芯片研究方向具有實用化的應用前景。產生拓撲相變的關鍵在于通過破壞系統的時間反演對稱性或空間反演對稱性，以在能級簡并點產生能隙，從而形成受拓撲保護的邊界態。對于空間反演對稱性被破壞的系統，在拓撲數不同的區域組成的邊界處，能支持能谷相關的方向性傳播的邊界態模式，即光子能谷霍爾效應。具有不同亞晶格能量的周期排布的六角光子晶體結構可實現這樣的能谷光子拓撲絕緣體，從而可用于構建更加緊湊的急劇彎折的光學線路，提高光子芯片的器件集成度和魯棒性。近年來拓撲結構中魯棒性的量子態傳輸成為熱門的研究方向，而量子干涉作為光量子信息過程的核心，尚未在拓撲保護光子晶體芯片中實現。

任希鋒研究組與中山大學董建文課題組合作在硅光子晶體體系中設計并制備出了“魚叉”形的拓撲分束器結構。他們發現六角晶格結構的光子晶體中的電場相位渦旋方向依賴于不同拓撲陳數的晶格結構以及其所處的能帶位置，可以構造出兩種不同結構的拓撲邊界。基于能谷相關方向性傳輸的機理，設計并加工了拐角可達到 120 度的“魚叉”形拓撲分束器，并在此結構上演示了高可見度的雙光子干涉過程，干涉可見度達到 95.6%。進一步通過級聯兩個拓撲分束器結構演示了片上路徑編碼量子糾纏態的產生。

該成果為拓撲光子學特別是能谷光子拓撲絕緣體結構應用于更加深入的量子信息處理過程提供了一個新的思路，審稿人一致認為這是一個有趣且重要的研究工作，并給出高度評價：“This is an interesting and important work （這是一個有趣而且重要的工作）”“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing（這個結果非常有趣，特別的，器件中實現的 HOM 干涉過程可能對高保真片上量子信息處理起到重要作用）”。

中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授、中山大學董建文教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點實驗室博士生陳陽和中山大學博士后何辛濤為論文共同第一作者，浙江大學戴道鋅研究組參與工作。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。