近日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授团队与浙江大学光电科学与工程学院戴道锌教授等研究人员，实现了国际上首个基于集成光量子芯片的涡旋光量子纠缠源，并实现了任意双涡旋纠缠态的片上量子调控。团队通过发展光量子芯片调控与片外光场整形技术，搭建了片上光量子信息处理与自由空间涡旋光传输之间的芯片-自由空间量子交互系统，兼具片上操控的灵活性与自由空间传输的鲁棒性，为高维量子通信、量子精密测量、片上离子与原子操控等开辟了新途径。
涡旋光场携带轨道角动量（OAM），是光场调控与光量子技术的重要资源。利用光子的轨道角动量进行量子信息编码，理论上具有无限维的编码空间，且OAM编码的量子态能够在自由空间中稳定传播，为大容量、实用化量子通信提供了极具潜力的方案。此外，量子涡旋光场在量子精密测量、束缚离子与原子操控等领域也具有广泛的应用前景。
然而，实现集成化、小型化的涡旋光场制备与操控一直是该领域的重大挑战。传统平面光学波导器件难以稳定支持涡旋光模式的束缚和传输。2012年，研究人员首次实现了基于光栅调制微环腔的集成OAM发射器，此后国际上先后实现了集成OAM激光源、集成OAM频率梳光源以及集成OAM单光子源等重要突破。然而，由于涡旋光子的特殊性，如何在集成光量子芯片体系上实现OAM纠缠光源一直面临实验挑战。这不仅需要解决片上OAM叠加态与纠缠态的束缚、传输与控制问题，还需要克服OAM纠缠产生非线性过程的相位匹配难题。
北京大学、浙江大学、中国科学院微电子所联合团队在2023年发展出了大规模集成光量子芯片制备与调控技术。同年，团队提出并实现了基于光量子芯片与多模光纤交互的高维量子纠缠制备、转化与芯片间传输，成功构建了多芯片间的高维量子纠缠网络，其核心思想是光量子芯片调控与片外光场整形。类似思想还曾用于北大团队发展的路径与偏振交互的芯片间量子隐形传态系统。在本项工作中，研究团队针对片上OAM纠缠能力长期缺失的技术瓶颈，创新地拓展了光量子芯片调控与片外光场整形技术，首次实现了片上量子纠缠态向自由空间的高保真辐射与涡旋光量子纠缠的稳定制备。这一原创性技术方案不仅成功解决了OAM叠加态与纠缠态在集成光量子芯片体系中的束缚、传输与控制难题，同时避免了OAM纠缠产生过程中相位匹配的关键难题，而且兼具量子纠缠片上操控的灵活性与自由空间传输的鲁棒性。
研究团队展示国际上首个基于集成光量子芯片的涡旋光量子纠缠源（图1），并实现了任意双涡旋五维OAM纠缠态的片上制备与量子调控。该涡旋光纠缠芯片包括两个主要部分组成：可任意编程调控的五维路径纠缠量子线路，以及路径-OAM自由度相干转换与圆形衍射光栅。通过罗兰圆结构，团队实现了路径本征模式与梯度相位分布的映射，并利用圆形衍射光栅将光束整形为涡旋相位分布，从而实现了路径-OAM自由度的相干转换与自由空间发射。这一设计使得路径编码的叠加态和纠缠态能够高效且相干地转化为OAM编码的叠加态和纠缠态。
图1. 基于集成光量子芯片的涡旋光量子纠缠源的显微镜图（5毫米X10毫米）
研究团队首先对芯片上的路径-轨道角动量自由度转换器件进行了高精度表征，验证了其高保真度的自由度转换能力。通过离轴数字全息技术，团队成功重构了辐射光场的相位分布，并利用片上集成相位器对加工误差进行了补偿。实验结果显示，芯片出射光场的涡旋相位特性显著，串扰矩阵的平均经典保真度达到0.97(2)。为了验证芯片制备五维任意涡旋叠加态和纠缠态的性能，研究团队进而分别进行了经典和量子表征（图2和图3）。经典表征通过红外相机拍摄 OAM 和 OAM 叠加态的空间模式分布以及干涉图样，成功验证了芯片的可编程任意五维叠加涡旋态的制备。芯片调控的不同OAM态之间的切换响应时间为7微秒。量子表征通过量子态层析和纠缠见证测量，实验验证了五维真纠缠特性，证明片上涡旋光量子纠缠的产生与调控能力。
图2. OAM叠加态的经典表征调控。(a) OAM本征模式-高斯模式的共轴干涉图案；(b)不同相位角的OAM五维叠加态；(c) OAM动态调控
图3. 高维纠缠测量与验证。(a)重构的路径-路径纠缠态密度矩阵；(b)重构的路径-OAM纠缠态密度矩阵；(c)重构的OAM-OAM纠缠态密度矩阵；（d)-(e)五维纠缠见证测量的实验结果
本工作实现的量子纠缠涡旋光发射芯片，不仅具备小型化（5毫米X 10毫米）、高稳定性、可编程调控、即插即用的优势，还达到了微秒级的涡旋纠缠态操控，同时可进一步拓展纠缠维度与纠缠涡旋光数目。芯片上量子纠缠调控的灵活性与自由空间量子态传输的鲁棒性相结合，为量子通信、量子精密测量以及片上离子与原子操控等领域的应用开辟了全新的技术路径。
值得一提的是，迄今为止，在硅基集成光量子芯片体系中，研究人员已成功实现了完备的不同自由度量子纠缠光源库，包括路径纠缠、偏振纠缠、时间纠缠、频率纠缠、空间模式纠缠以及轨道角动量（OAM）模式纠缠。本项工作填补了片上OAM纠缠的空白，进一步完善了集成量子纠缠光源库的体系，也为未来多自由度光量子信息处理芯片的研究提供了全面的技术支撑。
表1: 基于集成光量子芯片的不同自由度量子纠缠态，包括路径纠缠、偏振纠缠、时间纠缠、频率模式纠缠、空间模式纠缠、轨道角动量模式纠缠（本项工作）
