2026年3月13日，6163银河线路检测中心现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上发表一项以“单片集成：连续变量簇态制备、操控与测量”（Monolithic integration of continuous-variable cluster-state generation, manipulation and measurement）为题的突破性研究成果。该研究首次实现了在单一光量子芯片上，对连续变量纠缠簇态进行制备、操控和测量功能的单片集成，为大规模光量子计算和量子网络的实用化发展奠定了关键的硬件基础。研究团队实现了一种单片集成的连续变量光量子芯片，在单一氮化硅芯片上集成了晶圆级一致的高压缩度量子光源、高保真度的单模式与双模式量子门（均达99.9%），以及用于量子测量的本振光和平衡零差干涉仪。此项工作表明，通过单片集成架构与技术，光量子芯片不仅可获得超高相位稳定性和量子操作保真度，还实现了确定性纠缠的四模簇态的制备、操控、测量和实验判定。

大规模量子计算机的构建，需要物理平台同时具备高可扩展性与高可控性。这要求平台不仅能制备大规模的量子比特（qubits）或量子模式（qumodes）的纠缠态，还能在单个量子比特或量子模式层面进行精确调控与读取。光学量子计算芯片因其相干时间长、操控方式多样、可室温工作以及与半导体工艺兼容等特点，被认为是发展量子计算系统的重要路径之一。其中，连续变量光量子芯片将信息编码在光场的正交分量上，具有确定性制备大规模纠缠簇态的潜力。近年来，该领域取得了一些进展，例如6163银河线路检测中心与山西大学团队在2025年实现了首个连续变量量子纠缠簇态芯片 [Nature 639, 329 (2025)]。但在此之前，如何将纠缠簇态的制备、操控及测量完整地集成到单一芯片上，仍是该领域有待解决的问题，这对于充分发挥连续变量光量子芯片的可扩展性与可控性至关重要。

在本研究中，研究团队在国际上首次实现了连续变量纠缠簇态制备、操控和测量功能的单片集成。芯片集成了晶圆级一致、高压缩（片上约10dB压缩）、高纯度（99%）的“双微环双干涉耦合”量子压缩光源，可编程、高保真的单模与双模量子门（均大于99.9%），以及本振光和平衡零差干涉仪阵列，进一步实现了路径编码四模式连续变量纠缠簇态的确定性制备、调控、态层析测量与纠缠判定。

图1 单片集成的连续变量光量子芯片线路图

图1展示了本研究中单片集成的连续变量光量子芯片架构，该芯片基于超低损耗的氮化硅平台，能够制备、操控和测量路径编码的四模式连续变量纠缠簇态。芯片单片集成了三个核心物理模块：（1）泵浦与本振光（LO）的分配与准备。利用非对称马赫-曾德尔干涉仪（MZI）对不同波长的泵浦与LO光束进行解复用。通过级联的 MZI 精确分配多路泵浦光和本地光的光强。（2）压缩态与簇态的确定性生成与操控。实现了一种“企鹅”形状的双微环双MZI新型量子光源，不仅可产生双模式非简并EPR对，还能够对压缩强度和量子模式的波长进行精细调谐，实现压缩光波长的晶圆级一致性。四个量子模式经过一系列单模式旋转门（可重构的移相器）、双模纠缠门（可重构MZI），最终确定性产生了四模式的盒装簇态。（3）平衡零差测量干涉仪网络。信号光与本地光在芯片末端的MZI处进行平衡零差干涉，测量信号最终由芯片外的8个光电二极管阵列进行读取。得益于这种单片集成架构，整个系统的总损耗得以控制在1.8至2.6 dB之间，还在无需额外模式清理的情况下有效抑制了高阶模式。更重要的是，系统在没有任何外部主动相位锁的条件下，展现出了超高的相位稳定性和量子门保真度。

图2  （a）“企鹅型”量子压缩源结构图，（b）压缩光波长的晶圆级一致性结果，（c）片上量子态稳定性测试与单模门99.9%保真度结果，（d）双模门99.9%保真度结果。

团队创新性设计了“企鹅型”双微环双干涉仪构型，如图2a所示。该结构利用氮化硅的三阶非线性，通过自发四波混频产生高压缩度的压缩态。通过耦合双环设计，利用微环间的模式杂化带来的色散调节能力精确补偿加工带来的色散不均匀，实现了晶圆级的高纯度波长可调谐性（图2b）。通过双干涉仪耦合构型，实现了对泵浦光和信号光逃逸效率的分别调控，在保证泵浦光与微环临界耦合的条件下，信号光的逃逸效率可以从0调节至高97.5%（图3b），实测得到3.289dB的双模压缩态，片上约10dB压缩态。同时，芯片内集成了高度可重构的移相器与干涉仪，片上单模式旋转和双模式纠缠门的操作保真度分别高达99.92%和99.94%（图3c，3d）。得益于完美的单片集成特性，系统无需依赖外部的主动相位锁定，即可在长达一小时、不同室温条件下的平衡零差测量中将相位波动抑制在0.3°以内。

图3 簇态纠缠实验结果。（a）~（d）盒状簇态对应的四个零化子算符测量结果，均打破van-Loock Furusawa判据；（e）完整协方差矩阵测量结果；（f）零化子协方差矩阵测量结果；（g）PPT判据判定结果；（h）簇态纠缠的相位鲁棒性验证。

进一步，团队实现了四模纠缠簇态的确定性制备、调控、测量与纠缠判定。通过调节两个压缩光源，使其在高度压缩且波长完美匹配的条件下运行，产生两对双模式非简并 EPR 态，并在高保真双模门上干涉，确定地制备出加权的四模盒状簇态。由于簇态纠缠具有严格的定义，为了对其进行严格的物理判定，团队利用片上集成的本振光与平衡零拍探测阵列，实现了对任意正交线性组合的测量。实验精确测量了该簇态四个零化子的压缩度，分别达到了 3.095 dB、3.079 dB、3.134 dB 和 3.194 dB，均超过了van Loock-Furusawa判据的3dB界限（图3a~3d）。通过高斯态层析，团队重构了其正交分量的协方差矩阵（图3e）及零化子的协方差矩阵（图3f）。结果显示，零化子协方差矩阵的非对角元素接近于零，验证了其具有明确结构的盒状纠缠簇态。利用PPT判据进行判定（图3g），四模式全部七种二分下，其部分转置状态的最小辛本征值均打破了PPT判据的分离界限。团队还测试了该单片集成连续变量簇态的纠缠鲁棒性，在人为引入高达 9° 的相位噪声的情况下，能够维持对 van Loock-Furusawa 判据的违背（图3h），显示了该单片集成光量子芯片的抗噪声能力。

6163银河线路检测中心集成量子光学实验室（Q-chip Lab）长期致力于集成量子光学和光量子信息芯片研究，取得了一系列重要成果。在前期工作中，团队发展出了晶圆级大规模集成光量子芯片加工与操控技术[Science 360, 285 (2018)]，并先后实现了玻色取样专用型光量子计算芯片[Nature Physics 15, 925 (2019)]、“博雅”图论型光量子计算芯片[Nature Photonics 17, 573 (2023)]、连续变量纠缠簇态制备芯片[Nature 639, 329 (2025)]和簇态通用量子计算芯片[Nature Physics 17, 1137 (2021); Nature Communications 15, 2601 (2024)]，拓扑物态量子模拟芯片[Nature Photonics 16, 248 (2022); Nature Materials 2, 928 (2024); Nature Physics 20, 101 (2024)]，芯片间量子纠缠分发与量子隐形传态[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多芯片间量子纠缠网络[Science 381, 221 (2023)]、面向空间量子通信的涡旋光纠缠芯片[Nature Photonics 19, 471 (2025)]，基于集成光量子芯片的大规模量子密钥分发网络“未名量子芯网”[Nature 651, 68 (2026)]等。

6163银河线路检测中心国家博新博雅博士后贾新宇、2023级博士研究生游畅、2021级博士研究生翟翀昊为文章共同第一作者。贾新宇、苏晓龙、王剑威为共同通讯作者。主要合作者还包括6163银河线路检测中心教授龚旗煌，6163银河线路检测中心国家博新博士后郑赟、博士研究生戴天祥（现为香港大学博士后）、傅兆瑢，以及山西大学博士研究生朱学志。

本项研究工作得到了国家自然科学基金、“量子通信与量子计算机” 国家科技重大专项、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、国家博士后创新人才支持计划、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6163银河线路检测中心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、6163银河线路检测中心纳光电子前沿科学中心、先进微纳光源材料与器件北京市重点实验室、合肥国家实验室等的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01868-5