面向量子模拟、量子随机行走的微纳结构光子芯片研究

This project focuses on the generation and manipulation of single photons and entangled photons inside micro/nano-photonic chips instead of using separate optical elements. One important goal is to investigate the single-, two- and multi-photon generation and manipulation inside the domain-engineered optical superlattice photonic chips. We will study the new characters of quantum random walk and apply it to the design and realization of some quantum algorithms. Based on this, we will simulate and disclose the important phenomena and evoluting laws of some effects in condensed matter physics, particle physics and chemistry. Besides, this project will introduce various structured-units like photonic crystals, micro-nano waveguides, hybride-waveguides and surface plasmon polaritons metal materials to optimize the particular functions of optical superlattice chips in order to construct the hybride quantum chips with mini quantum light sources and optical circuits, the fast and precise phase-control. The study of micro/nano photonic chips will supply as the powerful theoretical and technical support for the next generation of information industry.

本项目借助微纳加工技术，将单光子、纠缠光子的产生与操控从空间分立元件系统集成到具有特定功能的微纳结构光学芯片上。重点研究以畴工程为技术基础的光学超晶格有源光子芯片上的单光子、双光子和多光子的集成化产生与操控，研究其中量子随机行走特性并用于设计和实现一些量子算法，模拟和揭示若干种凝聚态物理、粒子物理或化学反应过程中的重要现象及演化规律。此外，本项目还将引入光子晶体、微纳结构波导、杂化波导和金属表面等离激元等多种结构单元用于光学超晶格芯片局部功能的优化，构筑兼具微型化量子光源和干涉光路、快速精确相位调控等优势的混合集成量子芯片。微纳光子芯片的研制将为下一代信息技术产业提供强有力的理论储备和技术支撑。

本项目是集成项目，是几个不同单位和课题组研究兴趣的交叉和凝练的结果。研究人员亲密合作，互通有无。通过三年的努力，我们在量子行走和量子模拟等方向取得了多项成果。我们探讨了量子行走新模型以及量子模拟中的新效应。实验发展了若干新型的光量子芯片实验平台，涉及光子晶体体系、表面等离激元材料体系以及光学超晶格体系。实现芯片上若干分立元件的功能设计和优化，尝试了复杂光量子芯片的设计和研制，在几类芯片上演示了量子行走效应和量子模拟的新特性，比如在芯片上实验演示简单搜索算法的加速以及对聚乙炔模型中的拓扑界面态的模拟等。项目还研究了铌酸锂和硅基材料以及等离激元材料和石墨烯的混杂结构，摸索了制备波导的工艺条件以及电光调制器的基本特性。为下一代优势集成的高性能光量子芯片以及片上量子行走和模拟的相关研究打下基础。已发表SCI论文38篇，1篇综述论文已经接受亟待发表，还有约8篇论文在整理投稿。发表论文中包含Nature Communications 1篇，Physical Review Letters 2篇，Advanced Materials 1篇，Light: Science & Applications 1篇，Laser Photonic Review 2篇。相关成果获批中国专利2项和美国专利1项。项目执行期间，项目组成员因相关成果参加国际国内会议做报告36人次。培养博士研究生15名，硕士研究生18名。项目组成员有2人获得国家自然科学优秀青年科学基金支持，有2人获得南京大学登峰计划支持，有1人获得基金委科研仪器研制项目支持，有1人新获得科技部重大研发计划纳米专项课题支持。项目成果入选2014年度 “中国光学重要成果”（中国激光杂志社）1次，入选江苏青年光学科技奖1次。