中国科大在量子集成光学芯片上实现迄今最高可见度的表面等离子激元量子干涉

近日，中国科学技术大学郭光灿院士领导的量子信息实验室任希锋研究组在量子集成芯片上实现了单个表面等离子激元的量子干涉，其干涉可见度达到95.7%，这是为迄今公开报道的国际最高水平，审稿人指出：“The paper demonstrates with a record visibility the bosonic nature of the plasmons”。此成果以长文（Article）形式于7月14日发表在Phys. Rev. Applied上。

集成光学芯片近年来越来越引起人们的关注，它具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高、信号传输速度快等诸多优点，在经典光学中已获得了广泛应用。近年来，在量子信息领域的研究也得到了巨大关注和发展，量子逻辑门和Shor算法都已经在量子集成光学芯片中得到了演示。表面等离子激元作为新的信息载体也开始被引入到这一领域中来，因为它可以突破衍射极限，将能量束缚在亚波长尺寸的波导中传播，从而能进一步提高集成光学芯片的集成化程度。但是表面等离子激元在量子信息中的应用研究面临两个主要问题：一是目前在表面等离子激元波导结构中实现的量子干涉的可见度小于50%，低于量子和经典的界限，且不能认为是真正的量子干涉；二是表面等离子激元结构存在固有损耗，这种损耗会不会对量子干涉的可见度产生影响，从而限制其在量子集成光学芯片中的应用，迄今还存在争论。

任希锋研究组利用亚波长表面等离子激元波导结构实现了单个表面等离子激元的量子干涉，可见度达到95.7%，不仅充分证明了表面等离子激元的波色子特性，而且为在量子信息处理过程中应用表面等离子激元解决了若干关键性难题。工作进一步证实表面等离子激元结构的固有损耗会对量子干涉可见度产生影响，但是可以通过特殊的设计，使得这种影响降低到可以接受的程度，这将对进一步研究表面等离子激元量子信息过程起到指导作用。

上述研究得到了国家基金委、科技部、中国科学院和教育部的支持。