导读
量子计算、通信和传感等领域亟需大规模纠缠态，以同时控制海量量子单元，实现复杂运算、有效纠错和安全量子网络构建。大规模纠缠不仅为并行计算提供基础，还增强了系统鲁棒性，是实现实用化量子信息处理的关键。簇态是一种多体高度纠缠的量子状态，其纠缠结构可用图论描述——节点代表量子单元，边代表它们之间的纠缠连接。构造好的簇态是测量驱动（单向）量子计算的核心资源，因为通过对各节点进行适当测量，即可推动整个计算过程，而无需频繁施加量子门操作。
传统上，量子簇态多依赖单光子离散变量体系，但单光子产生的概率性使规模长期仅限于十几个光子。相比之下，基于连续变量（Continuous-variable，CV）能确定性生成量子簇态，是目前构造超大规模纠缠态最有前景的方案之一。光学微腔凭借近等间距的频率模式和高非线性效率，有望成为构建大规模量子簇态的理想平台。
近日，北京大学杨起帆、何琼毅、龚旗煌团队与中国科学院物理研究所李贝贝题组提出了在光学微腔上产生簇态量子微梳的实验方案，通过精确调控多频激光的泵浦，实现了大规模、可重构簇态的确定性生成。该成果发表于Light: Science & Applications，题为“Large-scale cluster quantum microcombs”。北京大学博士研究生王泽、博士后李康康和博士研究生王越为本文的共同第一作者，杨起帆研究员、何琼毅教授、李贝贝研究员和博士后李康康为本文的共同通讯作者。
簇态量子微梳：片上连续变量新型量子光源
团队利用光学微腔内天然存在的近等间距光学频率模式，借助高效的四波混频效应，在微腔内同时产生大量的双模压缩——即两两纠缠的量子模式对。
为实现多模纠缠，研究团队设计了“主泵浦+辅助泵浦”的激光泵浦方案：
主泵浦：利用简并四波混频产生一组对称分布的纠缠对；
辅助泵浦：与主泵相结合，通过非简并四波混频生成另一组对称纠缠对。
这种方案使得在同一芯片微腔中，可以构造出既有一维链状结构又有二维晶格状的量子纠缠簇态，显示出极大的可重构性和规模优势。
进一步的，研究团队利用锁相的平衡零差检测技术，直接测量了各个模态的正交变量，通过构建协方差矩阵，结合正偏置部分转置判据（简称PPT判据，检测量子纠缠），准确验证所有纠缠链路的存在和稳定性，实现了对大规模簇态量子微梳的量子层析。
图1：（a）构造簇态量子微梳的基本原理。（b）EPR对正交分量的噪声。灰线：散粒噪声。（c）一维簇态的协方差矩阵。（d）二维簇态的协方差矩阵。
本研究的核心成果在于：
图2：目前在芯片上产生的连续变量量子态的规模和压缩度
这一成果不仅为验证量子纠缠理论提供了全新的实验平台，同时也为量子计算、量子通信以及量子传感等实际应用带来颠覆性可能。借助芯片级连续变量量子光源，未来有望构建出集成化、可扩展且高效的量子网络，推动量子信息处理和传输能力迈向前所未有的水平。
论文信息
Wang, Z., Li, K., Wang, Y. et al. Large-scale cluster quantum microcombs. Light Sci Appl 14, 164 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-01812-2
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