近日，人工微结构和介观物理全国重点实验室“极端光学创新研究团队”杨起帆、龚旗煌、何琼毅等人与合作者，提出了在光学微腔上产生簇态量子微梳的实验方案，通过精确调控多色泵浦激光，实现了大规模（60模）、可重构（1D、2D）量子簇态的确定性生成。相关研究成果以“大规模簇态量子微梳”（ Large-scale cluster quantum microcombs）为题，发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
量子计算、通信和传感等领域亟需大规模纠缠态，以同时控制海量量子单元，实现复杂运算、有效纠错和安全量子网络构建。大规模纠缠不仅为并行计算提供基础，还增强了系统鲁棒性，是实现实用化量子信息处理的关键。簇态是一种多体高度纠缠的量子状态，其纠缠结构可用图论描述——节点代表量子单元，边代表它们之间的纠缠连接。簇态是测量驱动(单向)量子计算的核心资源，因为通过对各节点进行适当测量，即可推动整个计算过程，而无需频繁施加量子门操作。簇态的一个关键指标是簇态包含的纠缠实体数目，纠缠数目越多，结合非高斯操作后带来的指数级量子加速越强；此外不同的量子信息任务需求不同图态结构的簇态，因此发展可重构簇态对发展通用型量子信息技术而言至关重要。
传统上，量子簇态多依赖单光子离散变量体系，但单光子产生的概率性使规模长期仅限于十几个光子。相比之下，基于连续变量（Continuous-variable，CV）能确定性生成量子簇态，是目前构造超大规模簇态最有前景的方案之一。光学微腔凭借近等间距的频率模式和高非线性效率，可以通过频域承载成千上万的量子模式，有望成为构建大规模量子簇态的理想平台。
在本工作中，研究团队提出利用克尔微腔中级联三阶非线性过程产生大规模连CV簇态量子光源的新方案，并在片上光学微腔中首次实现了最大规模簇态量子微梳的确定性产生：单色泵浦微腔实现3.1dB的双模压缩（图1b），多色泵浦微腔产生最多60模式纠缠的一维和二维簇态（图1cd），二者分别代表了迄今为止在光子芯片上生成的最高压缩和最大规模的CV簇态（图2）。3dB压缩刷新了片上量子态压缩度的实测记录，推进了片上压缩源的实用化进程；可重构、可扩展的簇态量子微梳，为其在量子计算、通讯和传感等领域的实际应用提供了突破途径。
图1：（a）簇态量子微梳的基本原理。（b）EPR对正交分量的噪声。灰线：散粒噪声。（c）一维簇态的协方差矩阵。（d）二维簇态的协方差矩阵。
图1a展示了簇态量子微梳的产生原理。团队利用光学微腔内天然存在的近等间距光学频率模式，借助高效的四波混频效应，在微腔内同时产生大量的双模压缩——即两两纠缠的量子模式对。为实现多模纠缠，研究团队设计了“主泵浦+辅助泵浦”的多色泵浦方案：
这种方案使得在同一芯片微腔中，可以构造出既有一维链状结构又有二维晶格状的量子纠缠簇态，显示出独特的可重构性和规模优势。进一步的，研究团队利用锁相的平衡零差检测技术，直接测量了各个模态的正交变量，通过构建协方差矩阵，结合正偏置部分转置判据（简称PPT判据，检测量子纠缠），准确验证所有纠缠链路的存在和稳定性，实现了对大规模簇态量子微梳的量子层析(图1c,d)。
图2：目前在芯片上产生的连续变量量子态的规模和压缩度。
本工作的核心成果在于以下三方面。1.确定性生成高质量纠缠：利用连续变量方法，微腔内每个量子模式都能被均匀、稳定地纠缠起来，并且通过降低链路损耗实现了高达3dB的实测压缩度，从而大大提升了纠缠生成的确定性和质量。2.可重构大规模簇态：由于光学微腔支持大量频率模式，通过合理的泵浦设计，团队成功构建出前所未有规模的多模量子簇态，既能形成一维链路，也能扩展为二维晶格，为未来量子计算和多用户量子网络提供丰富资源。3.片上平台优势：核心器件光学微腔可以替代传统桌面级参量振荡器，体积小、稳定性高，且泵浦调控灵活，从而提供了极大的可扩展性。
这一成果不仅为验证量子纠缠理论提供了全新的实验平台，同时也有望为量子计算、量子通信以及量子传感等实际应用提供片上光源平台。借助芯片级连续变量量子光源，未来有望构建出集成化、可扩展且高效的量子网络，推动量子信息处理和传输能力迈向前所未有的水平。
北京大学物理学院2020级博士研究生王泽、博士后李康康和2022级博士研究生王越为本文的共同第一作者，本实验室杨起帆研究员、何琼毅教授、中科院物理所李贝贝研究员和博士后李康康为本文的共同通讯作者。研究工作得到了合肥国家实验室、北京市自然基金、国家自然基金委的支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01812-2
