近几十年来，量子核算取得了明显的开展，并在不同的物理渠道上完成了量子优越性。光子作为量子比特具有抗干扰、易操控等优势，光子通道能够在远距离的网络节点之间树立低损耗、长距离的量子链路。此外，光子在多个自由度中具有清晰界说的希尔伯特空间，使其合适与不同光子渠道做互联。近年来开展的集成光子学渠道为光量子体系的大规模扩展供给了新途径，有利于完成互联量子体系和分布式量子核算。通用量子核算需求单比特和双比特门操作，而后者通常是概率性的，其资源开支跟着量子门的数量呈指数级添加。构建高质量的量子门、下降量子门操作的资源开支以及完成多自由度之间的高效量子互联等依然构建量子网络的关键问题。

  近来，加州大学洛杉矶分校、哥伦比亚大学、南京大学、土耳其中东科技大学、新加坡微电子研讨院、中国科学院上海微体系与信息技能研讨所、新加坡先进微晶圆厂、麻省理工学院的协作团队，完成了首个偏振与空间动量自由度间的硅基片上量子SWAP门。协作团队研讨开发了多层级硅基光量子芯片，制备了高精度的级联量子逻辑门，完成了确定性的高保真量子SWAP操作，并以此验证了芯片体系间的多自由度光量子互联，为未来构建模块化互联量子信息体系供给了集成量子信息处理的新途径。相关成果于2023年6月15日以“根据硅纳米光子学的芯片级偏振-空间动量量子 SWAP 门”（A chip-scale polarization-spatial-momentum quantum SWAP gate in silicon nanophotonics）为题，发表于Nature Photonics。

  在本项研讨工作中，研讨团队根据互补金属氧化物半导体（CMOS）制作技能研发了多层级联的片上量子比特逻辑门，在单光子水平上完成偏振量子比特与空间动量量子比特之间的高质量确定性羁绊置换；全面地表征了该片上量子SWAP门对单双量子比特的操控，并验证了量子相干性。此外，使用片上量子SWAP门的相干可逆转化，完成了在两个光子芯片体系之间不同自由度的光量子互联。该硅基片上SWAP门为芯片标准确实定性量子信息处理拓荒了途径，并为互联量子信息体系供给了一个光量子接口。

  图1 片上偏振-空间动量单光子双量子比特SWAP门。a,双量子比特SWAP门的逻辑线路示意图。b, 偏振操控非门的扫描电子显微镜图画。c, 集成两级偏振旋转器的结构示意图。d, 偏振旋转器的扫描电子显微镜图画。e, 倒锥耦合器的扫描电子显微镜图画。f, 级联结构的完整片上SWAP门的光学显微图画。

  图1是完成偏振-空间动量量子SWAP门的光量子芯片示意图。该芯片由三个级联的受控量子非门组成，分别为偏振操控非门、空间动量操控非门和另一个偏振操控非门。这种级联规划能够在中心的量子门处使操控比特与方针比特交流，以此来完成量子羁绊交流操作。研讨团队开发了自对准两级纳米制作办法以完成偏振旋转器所需的高消光比。量子SWAP门终究完成了97.4 ± 0.2%的真值表保真度。

  研讨人员进一步经过量子进程层析对片上量子SWAP门的单双量子比特操作做全面地表征（图2）。关于偏振量子比特到空间动量量子比特的单比特转化操作，片上SWAP门完成了均匀量子态保线a）。并以此进一步核算了量子进程层析矩阵，关于不同的空间动量态输入，完成了均匀量子进程保线b）。关于双量子比特转化操作，该片上SWAP门完成了94.9 ± 2.0%的量子进程保真度，验证了高质量的量子羁绊转化。

  图2 单量子比特与双量子比特操作的量子进程层析。a, 偏振到空间动量的单量子比特转化。b, 单量子比特转化的量子进程矩阵。c, 双量子比特SWAP门的量子进程矩阵。

  图3 片上SWAP门的量子相干性保存以及双芯片间的量子态分发。a, 单光子双量子比特SWAP门的相位相干性验证。b, 量子SWAP门操作后的双光子Hong-Ou-Mandel干与。c, 双量子芯片间的量子态分发试验设备图。d, 经过量子态分发后丈量得到的偏振贝尔态密度矩阵。

  抱负的SWAP操作是一个相干的相位坚持进程。研讨人员经过观测经过片上SWAP操作后两个空间动量形式的单光子自干与条纹，得到了均匀干与可见度高达98.7 ± 0.4%，证明了从输入偏振量子比特到输出空间动量量子比特的相干相位传递（图3a）。经过丈量关于不同偏振输入态组合的输出光子的Hong-Ou-Mandel干与，验证了片上SWAP进程对双光子的量子相干性坚持（图3b）。

  根据该高保真的量子相干SWAP门，研讨人员使用片上SWAP进程的可逆转化验证了一个不同自由度之间的高效光量子互联。经过衔接两个SWAP门芯片，完成了偏振-空间动量-偏振的量子羁绊交流，验证了片上SWAP门的相干可逆转化，为不同自由度间的光量子互联供给了实用工具，可用于完成分布式量子核算和量子传感。

  加州大学洛杉矶分校介观光子学与量子电子试验室程祥博士、Kai-Chi Chang博士与谢臻达博士（现为南京大学教授）为一起榜首作者，加州大学洛杉矶分校程祥博士、Kai-Chi Chang博士与Chee Wei Wong教授为一起通讯作者。其他首要协作者还包含：加州大学洛杉矶分校电子工程系博士生Murat C. Sarihan、Abhinav K. Vinod、Yoo Seung Lee博士、李勇男博士 （现为天津大学教授），哥伦比亚大学研讨生XinAn Xu、土耳其中东科技大学Serdar Kocaman，新加坡微电子研讨院Mingbin Yu博士、Patrick Guo-Qiang Lo博士、Dim-Lee Kwong博士，以及麻省理工学院电子试验室Jeffrey H. Shapiro教授与Franco N. C. Wong博士。