研究背景
携带轨道角动量的光量子涡旋是量子光子技术的重要资源，因其在量子通信、量子计算、量子光探测与测距等领域的应用受到广泛关注。与传统的自由空间光学系统相比，集成光子学能够在片上实现光的高效调控，具有紧凑性、高稳定性和可扩展性等优点。
然而，在平面光学波导和电路中生成和操控量子涡旋仍面临挑战，主要包括如何有效约束和引导扭曲光子，以及如何制备并操控涡旋态的量子叠加和纠缠。这些难题限制了量子涡旋光场在实际量子信息处理中的应用。
研究内容
鉴于此，北京大学王剑威团队联合浙江大学戴道锌携手在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Integrated optical entangled quantum vortex emitters”的最新论文。该团队设计并制备了可编程集成纳米光子电路，实现了纠缠量子涡旋的高效发射。通过这一电路，研究人员成功在自由空间中生成并任意操控鲁棒的涡旋纠缠，实现了从片上路径纠缠到自由空间传输的相干转换。该成果得益于创新的芯片—自由空间接口技术，该技术结合了可重编程的集成量子光子学和先进的自由空间光束整形方法。
实验结果表明，该发射器采用即插即用的方式运行，可在微秒级内迅速重新配置，并通过量子层析术和维度见证器测量验证了多维真正纠缠的存在。该研究为集成量子涡旋器件的开发提供了新的技术路径，有望推动量子信息处理和量子通信技术的发展。
图文导读
1.实验首次利用可编程集成纳米光子电路实现了纠缠量子涡旋发射器，得到了可在自由空间中生成和任意控制的鲁棒涡旋纠缠。
2.实验通过将集成量子光子学与经典自由空间光束整形技术结合，实现了从片上路径纠缠到自由空间量子涡旋的相干过渡。
3.实验通过开发芯片与自由空间接口技术，解决了传统量子涡旋生成面临的复杂问题，如光子的限制、引导及涡旋态的量子叠加和纠缠的困难。
4.实验通过验证多维真正纠缠的存在，得到了量子层析术和维度见证器测量结果，证明了所生成的量子涡旋具有多维纠缠性质。
5.实验通过即插即用的发射器操作方式，实现了在微秒级内的快速重新配置，展示了高效且灵活的集成量子涡旋设备。
6.实验结果展示了集成量子涡旋器件的多功能性，将片上量子信息处理与自由空间量子涡旋传输的鲁棒性结合，为量子通信、量子光探测与测距、量子计算与存储等应用开辟了新的前景。
图 1 | 可编程集成纳米光子学产生了量子涡旋纠缠。
图 2 |集成光路到轨道角动量orbital angular momentum，OAM接口的表征。
图 3 | OAM模式的干涉测量和重新编程。
图 4 | 多维纠缠的测量和验证。
结论展望
该研究突破了在平面光学波导和电路中生成和传输量子涡旋的技术难题，展示了如何通过集成纳米光子电路实现量子涡旋的纠缠生成。这种创新的技术不仅解决了光子引导和量子态叠加的难题，还展示了芯片与自由空间的高效接口，实现了量子信息处理与传输的灵活性和鲁棒性。该研究还提供了一种基于可编程电路的纠缠量子涡旋发射器，具备微秒级的快速重配置能力，为量子通信、量子探测与测距、量子计算等应用领域提供了新的技术路径。通过量子层析和维度见证器的验证，研究者展示了多维度纠缠的真实性和可控性，为未来量子信息处理技术的进步奠定了基础。这项工作不仅为量子光学领域的发展开辟了新的方向，也为量子科技的实际应用提供了可行的解决方案。
该文章发表于Nature Photonics上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01620-5
