面向频率梳编码的全集成硅光量子频率处理器

《Nature Communications》：Fully integrated quantum frequency processor on a silicon chip

　　

摘要

频率梳编码（频率格编码）近来作为一种强大的光子量子信息处理方法崭露头角，其具有高维性、门操作并行化以及与现有电信基础设施兼容等优势。然而，其可扩展部署一直受到缺乏能够统一量子态生成、相干频率混频和可编程频谱控制的一体化平台的制约。在此，我们报道了一种全集成量子频率处理器，在同一硅光芯片上单片集成了基于微谐振器的双光子量子频率梳源、泵浦抑制滤波器、高速相移调制器和四通道逐线脉冲整形器。我们展示了关键功能，包括成功率超过94%、保真度高于99.9%的可调谐频率分束器，以及合成更通用的单量子比特门操作的能力。最后，我们完全在芯片上生成了高维频率格纠缠态，并对其进行相干操控，展示了对双光子量子行走的控制能力，并对贝尔态进行了片上频率格量子态层析成像，保真度达95.7(3)%。通过将所有关键功能元件集成在同一块4 × 7 mm2的芯片上，并具有扩展至更多模式的潜力，我们的工作标志着迈向适用于经典和量子应用的大规模频率域光子处理器的重要一步。