2025年2月19日，北京大学的王剑威团队在《自然》杂志上发表了一篇题为“Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb”的论文，这一研究成果标志着在量子技术领域取得了重大进展。该团队成功地在集成光学芯片上实现了连续变量的多部纠缠，为量子计算、量子通信和量子计量等领域的发展开辟了新的道路。

引言

大规模纠缠态的产生是量子技术发展的核心问题之一。纠缠态作为一种特殊的量子态，具有广泛的应用前景，包括量子计算中的并行处理和量子通信中的安全传输。集成量子光子学通过将量子光态的编码、处理和检测集成到单个芯片上，为大规模纠缠态的产生和操纵提供了一个极具潜力的平台。然而，在单光子内离散变量编码的量子位之间产生纠缠一直是一个挑战，因为单光子在光子芯片上的相互作用非常困难。相比之下，使用连续变量操作的设备在产生和纠缠模方面具有更高的可行性，因为它们能够确定地产生和纠缠光正交编码的信息。

研究背景

尽管近年来在连续变量纠缠方面取得了一些进展，但大多数研究仅限于两个模式之间的纠缠。要实现大规模纠缠态，必须突破这一限制，扩展到多个模式之间的纠缠。王剑威团队此次的研究正是针对这一挑战，他们通过集成光学芯片，成功实现了连续变量的多模纠缠。

研究成果

王剑威团队在集成光学芯片上实现了一种新型量子微梳，该微梳能够在低于阈值的情况下产生多模压缩真空光学频率梳。这一技术不仅简化了纠缠态的产生过程，还提高了纠缠态的质量和稳定性。

1. 量子微梳的产生

量子微梳是一种基于光学微腔的频率梳技术，能够在芯片上产生一系列等间隔的光频率梳。王剑威团队利用这一技术，通过精确控制微腔的参数，实现了低于阈值的多模压缩真空态。这种态的特点是光子的频率分布呈现为一种压缩态，即光子的频率涨落小于其平均值，从而形成了纠缠的基础。

2. 八模纠缠的验证

该团队在实验中成功产生了八个模式的纠缠态，并通过多种手段验证了这些模式之间的纠缠关系。首先，他们利用量子态的不可分性标准，验证了八个模式之间的纠缠关系是不可分割的。这意味着这些模式之间的纠缠不仅仅是两两之间的简单组合，而是形成了一个整体上的纠缠网络。

其次，他们通过违反van Lock-Furthemawa标准，进一步证明了在数百兆赫边带频率上的超模多部纠缠。这一标准是一种用于检测纠缠态的通用方法，通过测量不同模式之间的关联函数，可以判断这些模式是否处于纠缠态。

3. 纠缠结构的描述

为了进一步了解这些纠缠态的结构，王剑威团队测量了具有足够低的非对角噪声的无效相关的完整矩阵。这一矩阵描述了不同模式之间的关联程度，从而揭示了纠缠态的内部结构。他们发现，实验得到的纠缠结构近似于期望的有限挤压的簇型结构，这进一步验证了理论模型的正确性。

技术创新

王剑威团队的研究不仅在实验上取得了突破，还在技术创新方面做出了重要贡献。他们通过优化集成光学芯片的设计和制作工艺，提高了量子微梳的稳定性和可靠性。同时，他们还开发了一系列新的测量技术和数据处理方法，用于精确测量和验证纠缠态的性质。

1. 芯片设计的优化

集成光学芯片的设计是实现多模纠缠的关键。王剑威团队通过优化微腔的结构和材料，提高了光子的囚禁效率和频率梳的生成效率。此外，他们还通过精确控制微腔的尺寸和形状，实现了对光频率梳的精确调控。

2. 测量技术的创新

为了精确测量纠缠态的性质，王剑威团队开发了一系列新的测量技术。他们利用高灵敏度的光电探测器和高精度的时间分辨光谱仪，实现了对光频率梳的精确测量。同时，他们还利用量子态重构技术，通过测量不同模式之间的关联函数，重构了纠缠态的密度矩阵。

应用前景

王剑威团队的研究成果在量子计算、量子通信和量子计量等领域具有广泛的应用前景。

1. 量子计算

纠缠态是量子计算的核心资源之一。利用连续变量的多模纠缠态，可以实现更高维度的量子计算和并行处理，从而提高计算速度和效率。此外，利用集成光学芯片上的量子微梳技术，还可以实现量子计算的微型化和集成化，进一步推动量子计算的发展。

2. 量子通信

连续变量的多模纠缠态在量子通信中具有独特的优势。利用这些纠缠态，可以实现更高安全性和更大容量的量子通信。同时，集成光学芯片上的量子微梳技术还可以实现量子通信的微型化和集成化，为未来的量子通信网络提供可靠的技术支持。

3. 量子计量

纠缠态在量子计量中具有重要的应用价值。利用连续变量的多模纠缠态，可以实现更高精度和更高灵敏度的量子测量。这对于推动量子传感和量子成像等领域的发展具有重要意义。

结论

王剑威团队在集成光学芯片上实现连续变量的多模纠缠是一项具有里程碑意义的研究成果。他们不仅成功突破了单光子内离散变量编码的量子位之间产生纠缠的挑战，还通过优化芯片设计和创新测量技术，实现了对纠缠态的精确控制和验证。这一研究成果为量子计算、量子通信和量子计量等领域的发展提供了新的契机和可能。

随着集成量子光子学的不断发展，我们有理由相信，未来的量子技术将会取得更加辉煌的成就。王剑威团队的这一研究成果不仅为量子技术的发展注入了新的活力，也为全球科学家在量子领域的探索提供了宝贵的经验和启示。我们期待着这一领域的更多突破和创新，为人类的科技进步和社会发展贡献更多的智慧和力量。

DOI: 10.1038/s41586-025-08602-1