具有高速纠缠生成与见证功能的集成光子平台

光学芯片与量子链路

当今的数据网络与未来的量子计算机都需要体积小、速度快且可靠的光学器件来处理光信号。本文展示了一种基于与日常电子产品相似工艺制造的硅芯片，不仅能够产生称为纠缠的脆弱光子间量子联系，还能在室温下以极高速度验证这些联系是否真实存在。这样的组合有望大大简化用于通信、传感和随机性生成的实用量子器件的构建。

为何量子链路重要

纠缠是一种奇特的粒子间联系，构成了许多拟议量子技术的基础。它使得远端设备之间出现无法用经典物理解释的关联，可用于消息保密、加速某些类型的计算以及改进测量。在集成芯片上实现这些功能具有吸引力，因为它承诺更小的尺寸、更低的成本和更容易的扩展性，但技术上非常困难。不同材料在不同任务上各有所长——有些更擅长产生纠缠光，有些更适合检测——如何在不牺牲性能的前提下将它们集成到同一平台，是一项重大工程挑战。

在硅上实现量子光学

作者围绕一块在商业晶圆厂工艺下制造的硅光子芯片搭建了整个实验。常规激光器将光注入芯片，片内调制器首先将光刻成脉冲，然后将其衰减到接近单光子水平。这些近似单光子脉冲被送入微小的片上分束器，分束器将每个光子并行导入两条路径，从而在两个输出间“共享”光子。为了用易得的激光光源替代理想的单光子源，团队借用了量子密码学中的“诱饵态”方法：他们混合了几种经精心选择亮度的脉冲，以便在后处理时可靠地提取真正单光子成分的行为。

在嘈杂环境中监听量子信号

检测这种脆弱的量子联系与产生它们一样困难。该芯片没有使用通常需要低温冷却的专用单光子计数器，而采用了一种更常见的测量方式——均衡本底检测（balanced homodyne detection），依赖快速光电二极管和在室温下工作的电子放大器。来自分束器的每个输出路径在芯片上与一束强参考光相遇，两束光之间的微小差异承载了量子信息。然而，实际探测器会损失部分光并引入电子噪声。作者提出了一种巧妙的“等效损耗”分析：他们在数学上将所有不完美之处视作源端的额外衰减，然后相应地概念性地提高输入亮度进行补偿。通过这种重新校准，尽管硬件并非理想，量子态仍可按探测器理想化的方式进行分析。

检验量子关联

为证明存在真正的纠缠，研究者们重构了量子态并执行了一项著名的非经典行为检验——贝尔测试。通过调节参考光的相位并观察测得信号的联合变化，他们构建了两条光路径共享态的详细图像。分析显示，产生的态与理想单光子纠缠态的保真度约为92%。当他们应用贝尔测试时，得到的值显著超过任何基于局域隐变量的经典理论所允许的上限，即便在考虑到使用实际光源和片上嘈杂、高速探测器的情况下也是如此。

对未来器件的意义

这项工作展示了硅光子芯片能够在室温下以多千兆赫采样速率生成、操控并验证量子纠缠，且所用组件与标准半导体制造兼容。尽管该方案依赖若干合理的建模假设且尚不适合远距离保密通信，但它指明了一条路径：复杂的量子光学系统（如片上量子随机数发生器或量子信息处理试验台）可以作为紧凑、可扩展且相对低成本的器件构建。随着片上激光器及其他缺失部件的加入，此类平台可能成为实用量子技术的核心构件。

引用: Gong Zhang, Chao Wang, Koon Tong Goh, Si Qi Ng, Raymond Ho, Henry Semenenko, Srinivasan Ashwyn Srinivasan, Haibo Wang, Yue Chen, Jing Yan Haw, Xiao Gong, Joris Van Campenhout, and Charles Lim, "Integrated photonic platform with high-speed entanglement generation and witnessing," Optica 12, 1737-1746 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.557199

关键词: 硅光子学, 量子纠缠, 集成量子光学, 均衡本底检测, 量子随机数生成