最近浙江大学光电学院光及电磁波研究中心/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授课题组和中国科学技术大学郭光灿院士团队任希锋副教授课题组合作研究取得重要进展。他们成功研制了全新的硅基多模量子集成光学芯片，首次利用硅纳米光波导本征模式作为量子信息编码的新维度，实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等三种不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过90%，为集成芯片上的量子多自由度操纵和转换提供了重要实验依据。相关成果以“On-chip coherent conversion of photonic quantum entanglement between different degrees of freedom”为题发表于2016年6月20出版的《自然•通讯》（Nature Communications, 7: 11985, 2016）。
在以往量子集成光学芯片研究中，人们通常利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码（即偏振编码或路径编码）。然而，偏振编码仅能实现二维量子信息过程，无法实现高维编码，在信息容量和信息安全方面存在明显不足；路径编码虽可实现高维量子信息过程，但需要较大的路径间距，制约了量子光学芯片的集成度提升和功能化扩展。
戴道锌教授课题组与合作者首次提出采用多模波导本征模式作为量子信息编码的新自由度，利用本征模式正交性克服信息串扰问题。仅需一条多模波导，利用多个正交模式即可实现量子信息高维编码，且与偏振、路径编码完全兼容，因而可以在量子信息过程中同时使用多个自由度，从而进一步显著提升信息容量。戴道锌教授课题组和合作者采用基于硅光子技术的新型片上集成模式转化与复用器件，成功研制了全新的硅基多模量子集成光学芯片，实现了偏振、路径和模式等三个自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%，充分展示了在集成量子光学芯片中同时操纵多个自由度的可能性，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定了重要基础。同行评议给予了高度评价认为：该工作展示了一种具有重要意义的技术手段（it represents a significant technical tools that ...），会引起广泛的兴趣（the result is interesting for the general audience ...）”。
浙江大学戴道锌教授、中国科技大学大学任希锋副教授为论文共同通讯作者；中国科技大学博士生冯兰天、浙江大学博士生张明、中国科技大学博士后周志远为共同第一作者。该项合作研究得到了国家自然科学基金-优秀青年基金项目及面上项目、中央高校基本科研业务费-校长专项和浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的资助。
（浙江大学光电学院、现代光学仪器国家重点实验室）
图1. 硅基多模量子集成光学芯片.
