近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所李浩、舒志運、尤立星等在超導-硅光集成光量子芯片方面取得進展，并完成低溫節點間可拓展量子糾纏分發網絡的構建，相關成果以“Multiuser entanglement distribution network across cryogenic nodes enabled by integrated photonic chips”為題發表于一區學術期刊npj Quantum Information（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41534-026-01262-7）。

圖 1 低溫芯片間的量子糾纏分發網絡架構及實驗示意圖

隨著量子信息科學的快速發展，可拓展量子網絡憑借其能夠向多個用戶節點分發糾纏資源的特性，將成為實現分布式量子計算、量子保密通信與量子精密測量等應用的核心基礎設施。實際應用中，量子點、離子阱與量子存儲等多類量子節點均工作在極低溫環境中。為了走向量子網絡的實際部署，如何實現低溫節點間的互聯尤為重要，這給量子網絡的構建帶來了挑戰。

針對這一前沿難題，研究團隊在前期成功研制出單片異質集成泵浦濾波與單光子探測功能的糾纏接收芯片的基礎上，進一步實現了基于集成光子芯片、跨越多個低溫量子節點的可拓展多用戶糾纏分發網絡（如圖1）。該方案中，研究團隊基于自發四波混頻效應，利用一個包含1厘米長硅螺旋波導的光子芯片作為糾纏發送芯片，將其放置于2.2 K的極低溫環境中，并向其他低溫節點供給寬帶能量-時間糾纏光子對。隨后，這些糾纏光子對通過標準的密集波分復用器進行多路復用，并分發至處于極低溫環境中的多個糾纏接收芯片。

每個糾纏接收芯片都單片異質集成了硅基無源泵浦濾波器與超導納米線單光子探測器（SNSPD），能夠在探測之前將毫瓦級別的強泵浦光濾除，以避免對糾纏光子對的接收產生影響。實驗測得在2.2 K的工作溫度下，片上泵浦濾波器的濾波抑制比超過56 dB，兩組片上SNSPD的系統探測效率分別達到7.1%與6.5%（如圖2）。

圖 2 低溫芯片制備結果及性能表征

為了驗證該方案的可行性，研究團隊使用十個糾纏光子波長通道，構建了一個五用戶節點的全連接量子網絡。在這種網絡拓撲結構下，每位用戶節點均可接收四個不同波長通道的糾纏光子，從而實現任意兩兩用戶之間糾纏通道的建立。在兩組非正交測量基下，實驗測得所有十個通道組合的Franson雙光子干涉原始可見度均超過86%（如圖3），顯著違背了貝爾不等式，證明了該量子網絡架構在低溫節點間的成功建立，展現了其在未來實用化、可拓展量子網絡構建中的應用潛力。

圖 3 所有十組糾纏通道組合的雙光子干涉表征結果

論文第一作者為上海微系統所博士后舒志運，通訊作者為上海微系統所李浩研究員。該研究得到了科技創新2030重大項目（2023ZD0300100）、上海市量子重大專項（2019SHZDZX01） 以及國家自然科學基金（U24A20320, 62401554）的資助。

參考文獻： 中國科學院上海微系統所

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