Nature|自旋-轨道微腔激光器：量子通信新维度

撰稿|由课题组供稿

导读

研究背景

Bits、Qubits和Qudits

在经典数字通讯和计算中，信息以二进制比特（Bits）为单位传输、储存或计算，一个比特代表0或1两个状态中的一个；而在主流量子通讯和计算中，其最小信息单元为量子比特（Qubits），可以为0和1两个态的叠加，其在信息容量和安全性两个维度上都远超经典数字通信中的比特。与当前经典数字通信中的加密安全不同的是，这种安全性由物理规律保证而不是复杂却仍可能被破解的数学算法。特别是随着计算技术的快速发展，其被破解的可能性越来越大。

然而，由于每个量子比特仅为两个态的叠加，其单比特信息容量与扛干扰能力仍具有较大的提高空间。而在一个量子系统中，如果其最小信息单元由超过两个态叠加构成，那么我们称其为高维量子比特（Qudits）。比如说由三个态构成的量子位通常表示为d=3的Qudit。提升Qudit的维度不仅仅可以增加通讯中的位容量与通讯带宽，同时也进一步增强了信道的抗干扰能力、安全性与鲁棒性。

高维度任意Qudit态的产生主要依赖体块光学器件，而其维度扩展性受到器件体积和架构复杂性的双重制约。而片上集成化与可扩展化是未来高性能通信与量子通信器件的发展趋势，但同时也是目前的难点。近日，宾夕法尼亚大学冯亮教授团队研发了一个片上集成的微腔激光器，实现了四维希尔伯特空间中任意态的激射，器件同时具备可扩展性，该工作发表于Nature。

研究亮点

自旋-轨道涡旋激光器在四维希尔伯特空间中的激射

冯亮教授团队延续他们前作（Science 368,760-763(2020)）中的基础设计，两个自旋-轨道环形激光器通过由四个控制波导（左右两组）构成的纯虚数规范场耦合（图1），其复数耦合系数可以得到精确的动态调控。不同点在于，前作中实现了对光子轨道角动量（OAM）的动态调控；而通过引入和控制双环间自旋角动量Spin与轨道角动量OAM的耦合，现作中实现了额外的控制自由度，从而可以产生任意四维希尔伯特空间中的激射。

如图1中所示，每个涡旋激光器自身均具有两个自由度以动态调控其腔内两个间接耦合的自旋-轨道涡旋态之间的强度与相位关系，从而产生一个具有SU（2）对称性的二维高阶庞加莱球上的任意态（等价于Qubit），实现二维希尔伯特空间中的任意态激射。双激光器之间的耦合有机结合了这两个二维高阶庞加莱球从而形成一个具有SU（4）对称性的四维超布洛赫球（图2），具有6个调控自由度。

在实验中，作者们利用热光效应精确调控每组控制波导中内部的折射率差异以操控单个自旋-轨道激光器的激射态在二维高阶庞加莱球面上的经度坐标（图3a，b）。与此同时，得益于量子阱材料的非厄米特性（可控增益和损耗），通过调控同组控制波导上光泵浦强度的差异，单个自旋-轨道激光器中的激射态在二维高阶庞加莱球上的纬度坐标得到了有效调控（图3c，d）。每个自旋-轨道激光器本身即完整覆盖一个二维高阶庞加莱球面，充分展示了该基础构成单元的优越性和可扩展性前景。

通过非厄米耦合两个自旋-轨道激光器，作者们进一步展示了对激射态在具备SU（4）对称性的四维希尔伯特空间中的操控。如图2中所示，两个激光器之间相位与强度的控制可以被表示在二维高阶庞加莱球III上，其两极分别对应来自I与II号高阶庞加莱球上的激射态。具体的，作者们通过控制双环之间泵浦强度的差异以操控激射态在球面上的纬度坐标；并通过调节双环的谐振频率差值来达到调节激射态在球面上经度坐标的目的。如图4所示，作者们选取并产生了两个具有代表性的高阶态，其中一个图态对量子纠错算法具有重要意义，并在实验中取得了较高的保真度。

该研究展示的自旋-轨道微腔激光器具有优秀的集成性与可扩展性，其高维度激射性能对下一代大容量安全通信和计算系统具有重要的意义；与此同时，其设计思路对高维量子态的产生以及未来的高维度量子通信技术具有一定启示。

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