中国科技大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学戴道锌教授合作，首次研制成功硅基导膜量子集成芯片，他们在硅光子集成芯片上利用硅纳米光波导中不同的能量传输模式，作为量子信息编码的新维度，实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过90%，为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。该成果近日发表在英国《自然·通讯》杂志上。
　　与自由空间光学、光纤光学相比，集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点。在以往集成量子光学芯片研究中，通常采用偏振自由度或路径自由度，即利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码。其中，偏振编码仅能实现二维量子信息过程，无法实现高维编码，因而在信息容量和安全性方面存在明显不足；路径编码虽然可实现高维量子信息过程，但为了防止不同路径信息之间的串扰，其路径间距通常较大，极大地制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。
　　任希锋研究组与合作者首次提出采用宽波导中的多个本征波导模式作为编码量子信息的新自由度，利用一条支持多个波导模式的多模波导，有望实现量子信息高维编码。特别是这些模式在传输时不会相互干扰，有效避免了信息串扰问题。与此同时，还可以在量子信息过程中同时利用光子的多个自由度，从而显著提升信息容量。他们利用新型硅基片上波导模式转化器和波导模式复用器，成功实现了偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定了重要基础。