基于聚合物多平面光转换技术的三维集成光子芯片实现高保真高维量子门

研究人员针对高维量子信息处理中空间模式操控的挑战，开发了基于飞秒激光三维打印的聚合物多平面光转换（MPLC）器件。通过衍射神经网络（DNN）设计相位分布，实现了单光子级三维Hadamard（H1）量子门，保真度达90%。该技术将传统空间光调制器（SLM）的庞大系统集成至微型光子平台，为可扩展的高维量子计算提供了新路径。

　　

在量子信息科学蓬勃发展的今天，光子的空间模式因其无限正交基的特性，成为高维量子信息处理的理想载体。然而，传统基于空间光调制器（SLM）的多平面光转换（MPLC）系统面临体积庞大、对准精度要求高、功耗大等挑战，严重制约了量子逻辑门的集成化和实用化进程。

为突破这一瓶颈，国内某研究机构的研究人员创新性地将衍射神经网络（DNN）算法与飞秒激光三维打印技术相结合，开发出全球首款聚合物基MPLC三维集成量子门芯片。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究，通过训练DNN生成精确相位分布，采用双光子聚合（TPP）工艺实现了特征尺寸仅1.6微米的四层衍射结构。实验证明该器件可在单光子水平实现三维Hadamard（H₁）门操作，经量子过程层析（Quantum Process Tomography）验证保真度达90.1%，为高维量子计算提供了微型化解决方案。

关键技术包括：1）基于光束传播法（BPM）的DNN模型训练，优化四层相位板设计；2）飞秒激光直写（FLDW）技术实现亚微米精度的三维打印；3）量子态层析技术评估器件性能；4）扫描电镜（SEM）表征器件形貌参数。

研究结果部分：
概念与制备：设计的三维H₁门通过Laguerre-Gaussian模式编码三维量子态，器件横向尺寸160微米，纵向159.76微米，支持∣?=2,p=0?、∣?=0,p=1?、∣?=-2,p=0?三种模式转换。

DNN辅助仿真：采用100×100神经元网络，通过RMSProp算法优化，将最大相位差3.1微米分为31个离散层，折射率1.5的聚合物与空气层形成精确光场调控。

实验表征：单光子源g⁽²⁾(0)=0.0305验证量子特性，SEM显示实际像素尺寸1.58微米，支持层间距52.22微米，通过MLE方法重建过程χ矩阵。

性能评估：CMOS捕获的输入/输出光场与仿真高度吻合，测量所有三维互无偏基（MUBs）后，重构的χ矩阵显示90.1%保真度，显著优于传统SLM方案。

这项研究开创性地将MPLC量子门集成至聚合物芯片，其亚微米加工精度和被动式工作特性解决了SLM系统的体积和能耗限制。尽管器件形变可能影响极限保真度，但该工作为未来级联量子电路奠定了基础。研究者特别指出，结合特种光纤的集成方案有望提升量子信道密钥率，而开发更高维度的空间模式操控将成为下一步重点。这项技术突破不仅推动了量子信息与光子芯片的融合，更为构建实用化量子计算机提供了全新思路。