北京大学物理学院王剑威、龚旗煌课题组在单片集成光量子芯片上实现连续变量簇态制备、操控与测量一体化

2026年3月13日，北京大学物理学院王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上发表一项以《单片集成：连续变量簇态制备、操控与测量》（“Monolithic integration of continuous-variable cluster-state generation, manipulation and measurement”）为题的突破性研究成果。该研究首次实现了在单一光量子芯片上，对连续变量纠缠簇态进行制备、操控和测量功能的单片集成，为大规模光量子计算和量子网络的实用化发展奠定了关键的硬件基础。

大规模量子计算机的构建，需要物理平台同时具备高可扩展性与高可控性。光学量子计算芯片因其相干时间长、操控方式多样、可室温工作以及与半导体工艺兼容等特点，被认为是发展量子计算系统的重要路径之一。其中，连续变量光量子芯片将信息编码在光场的正交分量上，具有确定制备大规模纠缠簇态的潜力。团队在2025年实现了首个连续变量量子纠缠簇态芯片 [Nature 639, 329 (2025)]。如何将纠缠簇态的制备、操控及测量完整地集成到单一芯片上，仍是该领域有待解决的问题，这对于充分发挥连续变量光量子芯片的可扩展性与可控性至关重要。

在本研究中，团队首次实现连续变量纠缠簇态制备、操控和测量的单片集成。芯片集成了晶圆级一致、高压缩（片上约10dB压缩）、高纯度（99%）量子光源，可编程、高保真的单模与双模量子门（均大于99.9%），以及本振光和平衡零差干涉仪阵列，实现了路径编码四模式连续变量纠缠簇态的确定性制备、调控、态层析测量与纠缠判定。

图1 单片集成的连续变量光量子芯片线路图

图1展示了本研究中单片集成的连续变量光量子芯片架构，该芯片基于超低损耗的氮化硅平台，能够制备、操控和测量路径编码的四模式连续变量纠缠簇态。芯片单片集成了三个核心物理模块：（1）泵浦与本振光（LO）的分配与准备。（2）压缩态与簇态的确定性生成与操控。（3）平衡零差测量干涉仪网络。系统在没有任何外部主动相位锁的条件下，展现出了超高的相位稳定性和量子门保真度。

图2（a）“企鹅型”量子压缩源结构图，（b）压缩光波长的晶圆级一致性结果，（c）单模门99.9%保真度结果，（d）双模门99.9%保真度结果

团队创新性设计了“企鹅型”双微环双干涉仪构型。利用氮化硅的三阶非线性产生高压缩度的压缩态。通过耦合双环设计，利用微环间的模式杂化带来的色散调节能力精确补加工带来的色散不均匀，实现了晶圆级的高纯度波长可调谐性。通过双干涉仪耦合构型，实现了对泵浦光和信号光逃逸效率的分别调控，信号光的逃逸效率可以从0调节至高97.5%，实测得到3.289dB的双模压缩态，片上约10dB压缩态。同时，芯片内集成了高度可重构的移相器与干涉仪，片上单模式旋转和双模式纠缠门的操作保真度分别高达99.92%和99.94%。

图3（a—d）盒状簇态对应的四个零化子算符测量结果；（e）协方差矩阵测量结果；（f）零化子协方差矩阵结果；（g）PPT判据判定结果；（h）簇态鲁棒性验证

进一步，团队实现了四模纠缠簇态的确定性制备、调控、测量与纠缠判定。通过调节两个压缩光源，产生两对双模式非简并EPR态，并在高保真双模门上干涉，确定地制备出加权的四模盒状簇态。团队利用片上集成的本振光与平衡零拍探测阵列，实现了对任意正交算线性组合的测量。实验精确测量了该簇态四个零化子的压缩度，均超过了van Loock-Furusawa判据的3dB界限。通过高斯态层析，团队重构了其正交分量的协方差矩阵及零化子的协方差矩阵，验证了其具有明确结构的盒状纠缠簇态。

北京大学物理学院国家博新博雅博士后贾新宇、2023级博士研究生游畅、2021级博士研究生翟翀昊为文章共同第一作者。贾新宇、苏晓龙、王剑威为共同通讯作者。合作者还包括龚旗煌，国家博新博士后郑赟，博士研究生戴天祥、傅兆瑢，以及山西大学博士研究生朱学志。