摘要：复杂量子态的产生和控制是现代物理学面临的重大挑战，研究人员正在不断探索利用这些状态编码和传输信息的方法。中佛罗里达大学的 M. Javad Zakeri、圣路易斯大学的 Armando Perez-Leija 和 Andrea Blanco-Redondo 与

复杂量子态的产生和控制是现代物理学面临的重大挑战，研究人员正在不断探索利用这些状态编码和传输信息的方法。中佛罗里达大学的 M. Javad Zakeri、圣路易斯大学的 Armando Perez-Leija 和 Andrea Blanco-Redondo 与他们的同事合作，展示了一种在光子中产生高维纠缠的新方法。他们的工作克服了该领域的一个关键限制，提供了一种将纠缠扩展到更多光子模式的方法，并依赖于专门设计的硅光子结构来创建纠缠光子对。结果揭示了多达五种模式的纠缠，并且对纳米制造不可避免的缺陷具有显著的稳健性。这一成就为可扩展且容错的光子量子系统铺平了道路，有望在信息科学及其他领域得到应用。

利用拓扑结构编码和传输量子信息在凝聚态物理学中已获得广泛关注，目前正扩展到量子光子学领域。本研究提出并通过实验演示了一种产生高维拓扑光子纠缠的方法，该方法利用精心设计的硅光子波导拓扑超晶格，支持在多个拓扑模式叠加态上非线性生成能量-时间纠缠光子对。测量和理论分析揭示了多达五种拓扑模式的纠缠。

硅超晶格产生纠缠光子对

科学家开发了一个硅光子学平台，用于生成和操控高维量子态，从而满足了可扩展量子技术的关键需求。该研究以精心设计的硅光子波导超晶格为中心，旨在支持同时在多个模式下非线性地生成纠缠光子对。研究人员实现了三种不同的阵列设计，每种设计都包含由4、5和6个波导组成的单元，这些单元经过精心设计，以满足稳健拓扑带隙的标准，从而确保稳定的量子行为。这些超晶格结合了拓扑和非拓扑部分，为生成纠缠光子创造了独特的环境。

该团队利用硅波导的高光学非线性特性，在三、四和五种拓扑模式的纠缠叠加中生成双光子，这比之前的双模纠缠方法有了显著的进步。制造过程涉及对晶胞结构的精确控制，确保反转对称性和强的晶胞间耦合，这对于保持所需的拓扑特性至关重要。测量和理论分析证实了多达五种模式的纠缠，展现了其对纳米制造过程中不可避免的缺陷的韧性。该方法依赖于在工程超晶格内激发界面模式的线性叠加，从而有效地构建了一个多维量子系统。研究人员通过对大量制造的器件进行量子关联测量来验证纠缠，证实了所生成状态的稳定性和鲁棒性。这项研究展示了一条通往容错量子光子电路和弹性量子通信链路的可扩展途径，为未来的量子技术提供了一条充满希望的途径。

拓扑保护增强量子光传播

本研究探索了如何利用拓扑原理构建稳健的量子系统。其核心思想在于设计光子结构，使光的传播免受缺陷和不完美的影响，而这些缺陷和不完美源于结构的拓扑结构，这意味着光的某些特性由其整体形状和连通性决定。Zak相是一个拓扑不变量，它表征了这些周期系统的能带结构，并与位于结构边界的边缘态的存在相关。这些边缘态对于稳健的光传播至关重要。

这项研究旨在利用这些拓扑保护的波导来生成和操控纠缠光子，这是量子信息处理的基本资源。其主要目标是创建不易受噪声和退相干影响的量子系统，而拓扑保护提供了一种实现这一目标的方法。该研究描述了具有拓扑特性的光子超晶格的设计和制造，旨在支持拓扑保护的边缘态。一项重大成就是在这些拓扑保护模式下实现了双光子纠缠，这意味着光子对在沿着结构边缘传播时会发生纠缠，从而使纠缠更加稳健。

该研究扩展到多波段拓扑系统，从而实现更复杂的纠缠方案和功能。该团队提出了基于拓扑特性选择性过滤纠缠光子的方法，这可能有助于构建更复杂的量子电路。研究重点是在硅芯片上实现这些拓扑光子系统，这对于可扩展性以及与现有光子技术的集成至关重要。

通过硅光子学实现高维纠缠

这项研究展示了一种生成高维光子纠缠的新方法，而高维光子纠缠是先进量子技术的关键资源。科学家利用硅光子波导拓扑超晶格，利用非线性过程生成关联光子对，成功实现了多达五种模式的纠缠。该方法依赖于精心设计的拓扑结构，这些结构支持多种模式的叠加，从而能够创建复杂的量子态。测量和理论分析证实，纠缠的维数可预测地随底层结构的复杂性而变化，这为构建更大的量子系统提供了一条可控途径。

重要的是，生成的量子态表现出对纳米制造工艺中产生的缺陷的韧性，这是朝着构建实用且稳健的量子器件迈出的重要一步。除了拓扑结构的作用之外，该平台的简洁性和易用性也为探索其他多模量子现象提供了机会，例如与宇称相关的纠缠和超纠缠。作者承认，纠缠的稳健性与结构内带隙的大小相关，这表明进一步的带隙工程可以提升性能。未来的工作可能侧重于探索这些额外的量子现象，并将系统扩展到更高的维度，从而可能有助于开发容错量子计算系统。

来源：科学风向标