多粒子纠缠态不仅在检验量子物理基本原理中扮演重要的角色，也是实现大规模量子信息处理的重要资源。在众多种类的多粒子纠缠态中，由R.H. Dicke在1954年提出的Dicke态对于研究多粒子量子纠缠性质以及构建多用户量子网络有着重要的意义。近日，南京大学马小松、陆延青、祝世宁团队，首次在硅基光量子芯片上实现了多种四光子Dicke态的制备，并且利用片上量子调控单元实现了对多光子纠缠态的高精度全局相干调控。该工作丰富了片上制备的多光子纠缠态种类，有望在量子网络及量子精密测量等方面有重要应用。
图1：实验装置图。a. 四光子Dicke态芯片光学显微镜图像。b. 芯片光路示意图。芯片上两个量子光源模块来产生纠缠光子对；线性量子链路模块分布这些光子，进而后选择得到四光子纠缠；单量子比特操控模块对制备的纠缠态进行调控和测量。量子光源间相对相位的控制则可以实现对于整个Dicke态的全局相干调控。c. 双色脉冲泵浦系统，激发片上光源产生频率简并光子对。
量子纠缠是一种超越了经典物理范畴的量子现象，是研究量子基础物理和实现量子信息处理技术的重要资源。集成光学与光子芯片为光量子纠缠态的制备、操控和测量提供了一个理想平台。得益于互补金属氧化物半导体工艺（CMOS）兼容、强非线性、高集成度、易扩展性等特点，集成光量子芯片在实现未来大规模光量子计算和信息处理方面显示出独特的优势。
研究团队基于集成光学技术，在硅基芯片上制备了高质量的频率简并四光子Dicke态光源。该团队使用了双马赫曾德干涉仪型的微环谐振器作为片上新型量子光源，通过双色脉冲泵浦技术，激发出高产率、高信噪比的频率简并的光子对。利用片上集成的光学链路对产生光子进行分发，实现了路径模式编码的多光子Dicke纠缠态及其多种相干叠加态的制备。在此基础上，团队通过高精度的片上量子操控，首次实现了片上的多光子纠缠态层析，得到了保真度为81.7%的四光子Dicke纠缠态。
更进一步，研究团队通过对片上光源间相对相位的控制实现了对于任意四光子Dicke态的全局相干调控。基于该高质量的Dicke纠缠态，团队实验演示了其在多方量子通信网络方面的应用潜力。该研究为可重构的、多体纠缠的量子态片上制备与量子调控技术的应用提供了重要基础。
相关研究工作近期以"On-Chip Generation and Collectively Coherent Control of the Superposition of the Whole Family of Dicke States"为题发表在美国物理学会期刊《Physical Review Letter》上。南京大学物理学院博士研究生陈雷震为文章的第一作者，研究员陆亮亮、博士研究生夏黎君对本文亦有重要贡献。南京大学物理学院马小松教授为该文章的通讯作者。南京大学祝世宁院士和陆延青教授对该工作进行深入指导。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划、中央高校基础研究基金和量子科学技术创新计划等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和合肥国家实验室的支持。
课题组链接：http://qoqi.nju.edu.cn/
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.223601