1 工作简介

         ——集成光量子芯片上连续变量多体量子纠缠的首次实现

量子计算与量子网络被视为下一代信息技术的基石，其发展高度依赖于大规模、高品质量子纠缠态的制备与操控。在光量子体系实现路径中，离散变量方案虽精度高，但纠缠扩展性受概率性制备限制；连续变量方案虽能确定性产生纠缠，却长期受困于集成化难度高、多模调控复杂等根本性挑战，难以在芯片上实现真正意义上的多体纠缠。

面对这一核心难题，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授、龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组通力合作，取得了突破性进展。研究团队在国际上首次基于集成光量子频率梳芯片，实现了连续变量簇态纠缠的确定性制备、可重构调控与严格验证。这项成果不仅填补了连续变量集成光量子芯片领域的关键空白，更探索出一条可扩展、可编程的多体量子纠缠制备新路径，为光量子计算、量子网络与量子模拟的芯片化与实用化奠定了至关重要的硬件基础。

本研究的突破性在于，从物理原理、芯片设计与实验技术三个层面实现了系统创新，最终在单一集成微环谐振腔芯片上，成功构筑并操控了多种拓扑结构的连续变量纠缠簇态。

1. 原创性物理原理与芯片设计：

研究团队创造性地利用基于超低损耗氮化硅的集成光学频率梳微腔作为平台。通过多色相干泵浦技术，在光学参量振荡阈值以下，激发出一系列特定的“真空压缩频率超模”。这些频率超模并非独立的频率模式，而是多个频率模式的线性组合，其本质是微腔内复杂非线性相互作用（自发参量下转换与非线性布拉格散射）的集体激发。这种对“频率超模”而非孤立模式的激发与操控，成为了实现多体纠缠的物理关键。

图1. 基于集成频率梳微腔的连续变量纠缠簇态制备、调控与探测原理与方案图。

2. 确定性纠缠制备与可编程调控：

研究团队发展了一套完备的 “相干泵浦-探测-操控”技术（图1C）。这套系统不仅能用于激发纠缠态，更核心的功能在于：通过对多色本地振荡光场的振幅和相位进行精确编程，可对产生的量子光场实施等效的任意线性变换。这意味着，研究人员无需改变芯片本身的结构，仅通过外部泵浦与探测光的调控，将芯片产生的基础纠缠资源，重构成不同连接拓扑的簇态。

3. 多种簇态的实验制备与严格验证：

凭借上述技术，团队成功在芯片上制备出了四模链状、四模盒状、四模星状以及六模链状等多种构型的连续变量簇态纠缠（图2B）。这是国际上首次在光量子芯片上实现如此多样化的多体纠缠结构演示。

图2. 不同纠缠结构的连续变量簇态实验结果：（A）零化子；（B）不同纠缠结构簇态；（C）van Loock-Furusawa判据实验结果；（D）100 MHz宽带纠缠判定。

为严格证明这些态确实是理论上定义的簇态，团队超越了传统的纠缠判据，进行了更深入的量子态表征。他们通过全面测量和分析零化子（簇态的特征算符）的噪声关联矩阵，发现并成功消除了早期实验中零化子之间的非期望“额外噪声关联”（图3）。最终实验测得的关联矩阵与理想簇态的理论预测高度吻合，从而从量子关联的层面严格证明了连续变量簇态的成功制备，确立了该制备方法的可靠性与保真度。

图3. 不同纠缠结构的连续变量簇态实验结果：零化子非对角噪声关联矩阵。

本研究在国际上率先攻克了集成光量子芯片上连续变量多体量子纠缠制备的难题，实现了从原理、技术到验证的全链条突破。它不仅展示了一种可扩展、可编程的芯片化纠缠制备新范式，更通过制备多种簇态拓扑，验证了该平台在构建复杂量子纠缠网络方面的灵活性。

展望未来，通过融合频率、时间、空间等多维编码方式，有望进一步大幅提升芯片的纠缠模式容量与操控复杂度。这将为研制专用光量子计算芯片、构建片上量子处理器、以及实现模块化量子网络互联提供坚实的技术基础，加速量子信息技术从实验室走向集成的进程。

本研究以“Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb”为题，发表于Nature期刊（Nature, 639, 329–336 (2025)）。山西大学苏晓龙教授和北京大学王剑威教授为共同通讯作者。

本项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技创新2030 “量子通信与量子计算机”重大项目、北京市自然科学基金、山西省基础研究计划、山西省“1331工程”重点学科建设基金，以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥量子国家实验室等的大力支持。

2 主要作者简介

共同第一作者

贾新宇，北京大学物理学院博士后。

2025年始在北京大学物理学院开展博士后研究，合作导师为王剑威教授。近五年来以第一作者身份在Nature上发表相关论文1篇，以共同作者身份在Nature Photonics、Nature Materials、Nature Electronics等国际知名期刊发表相关论文多篇。

共同第一作者

翟翀昊，北京大学物理学院博士生。

主要研究方向为芯片间量子纠缠网络构建、基于量子光学芯片的量子模拟、基于图论架构的量子光学计算芯片、片上连续变量量子计算与量子信息，近五年来在以共一作者身份在Nature、Science各发表相关论文1篇，以共同作者身份在Nature Photonics、Nature Materials、Nature Physics等国际知名期刊发表相关论文多篇。

共同第一作者

朱学志，山西大学博士生。

主要研究方向为连续变量量子计算与量子信息，近五年来在以共一作者身份在Nature发表相关论文1篇，在Adv. Photonics上发表论文1篇。

通讯作者

苏晓龙，山西大学教授，博导，长江特聘教授，优青。

主要从事量子光学和量子信息领域的实验与理论研究，围绕连续变量量子计算、量子通信和量子网络等研究方向，开展了系统深入的研究，并取得了系列创新性研究成果。近年来，作为项目负责人先后承担国家自然科学基金优秀青年基金、重点项目等。在国内外学术期刊发表论文80余篇，包括Nature 1篇、Nature Communications 1篇、Science Advances 1篇、Phys. Rev. Lett. 7篇、Laser & Photonics Reviews 3篇、npj Quantum Information 4篇、Photonics Research 4篇。担任中国光学学会光量子科学与技术专业委员会委员，量子信息网络产业联盟理事，Scientific Reports编委，《中国科学：信息科学》编委，《激光与光电子学进展》编委。以第一完成人荣获2019年山西省自然科学一等奖、2019年中国光学学会光学科技奖二等奖等奖项。

通讯作者

王剑威，北京大学物理学院教授，获得国家杰出青年科学基金（2023）。

研究领域为集成量子光学，光量子芯片物理、技术与应用，包括关键集成量子器件与硬件、大规模硅基集成光量子芯片、离散-连续混合量子芯片、光子-离子/原子混合集成芯片、复杂量子纠缠体系制备与调控和量子算法物理实现等，并开展量子计算、量子模拟和量子网络等前沿应用的研究。在包括Science (3篇) 、Nature、Nature Physics (5篇)、Nature Photonics (6篇)、Nature Materials、Nature Eletronics、Nature Computaional Science、Nature Review Physics、Nature Communications (4篇)、Science Advances、PRL和Optica (3篇) 等在内的国际学术期刊上发表论文40余篇，CLEO postdeadline论文5篇。担任Nature Review Physics期刊顾问委员会成员，担任Rev. Mod. Phys.、Science、Nature、Nature Photonics、Nature Physics、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications、PRL、PNAS等杂志审稿人。承担国家自然基金重点/面上项目、科技部2030科技创新项目、科技部重点研发计划项目、北京市自然基金重点项目、广东省重点研发等项目或课题负责人。曾获得杨振宁奖 (C.N. Yang Award)、王大珩光学奖、饶毓泰基础光学奖、北京市中关村杰出青年奖等。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1