硅纳米光子学中的芯片级偏振-空间-动量量子 SWAP 门

量子计算与网络的最新进展通过连接不同量子模块实现了高性能大规模量子处理器。光学量子系统在计算和通信方面均展现出优势，而集成量子光子学进一步提升了规模与复杂度水平。在此，我们演示了一个高效的 SWAP 门，它在包含三个级联门的纳米加工两级硅光子芯片上确定性地交换光子的偏振量子比特与其空间-动量量子比特。该片上 SWAP 门通过层析测量得到全面表征，对单量子比特和双量子比特操作均具有高保真度。SWAP 门过程的相干保持通过单光子和双光子量子干涉得到验证。我们的 SWAP 门的相干可逆转换促进了具有不同自由度的光子子系统间的量子互连，并通过在两个芯片间分发四个 Bell 态进行了演示。我们还阐明了 SWAP 操作中退相干的来源以追求近单位保真度。我们在硅平台上的确定性 SWAP 门为互连模块化系统的集成量子信息处理提供了一条途径。