南京大学固体微结构物理国家重点实验室李涛教授、祝世宁院士研究组最近报告研制出迄今为止尺寸最小（14 × 14 μm²）光量子控制－非门。该量子逻辑门也是国际上首个基于等离激元体系的具有光量子信息处理功能的量子器件，能进行二比特量子操作，可作为量子集成芯片上的基本运算单元。二比特的控制－非门和单比特的哈达玛门是通用量子计算芯片的二种基本逻辑单元。这种基于表面等离激元构建的光量子逻辑门体积小，因而可大幅度提高光量子芯片集成度，减少芯片的尺寸。该量子逻辑门研制成功向着实现光量子计算目标又前进了一步。该成果近期发表在自然子刊Nature Communications 7:11490 DOI: 10.1038/ncomms11490上，物理学院王漱明副研究员是论文的第一作者。

基于量子力学的信息处理技术使用量子位叠加原理突破了经典信息处理仅用0和1编码方式，在根本原理上较之于经典计算有着无与伦比的优势。光子作为一个很好的量子信息处理的载体具有很好的相干性和单比特操作特性。近年来，光量子信息处理系统已经广泛应用于量子通讯、量子测量和量子计算等领域。然而，为了应对大规模信息处理和计算的要求，如何将光子处理系统的尺寸进一步的压缩已经成为近期研究者们关注的重点。当前，有一些基于路径编码的量子逻辑门和量子算法已经可以在集成光路中实现了，不过路径编码方式决定了其集成度不可能很高。而另一种编码方式——偏振编码，从原理上可以将光路简化，但却很难在集成光路中实现。这是因为光子芯片中的偏振分束和偏振旋转，需要通过更加精确地设计波导耦合长度来实现，这种精准度对现有的集成光路设计和制成提出极大挑战。

目前研制成功的等离激元光量子控制－非门巧妙地利用介质加载金属表面等离激元波导成功实现了TE和TM两种偏振模式的操控，仅仅使用一个偏振依赖分束器（图一）就实现了偏振编码的二个量子比特的控制－非门。它的尺寸只有14 × 14 μm²（比之前他人的结果减小了4个量级），是目前世界上最小的光量子逻辑门。实验给出的该控制非门的逻辑功能真值表（图二）显示了该逻辑门具有高的保真度（63.7% ≤ F_process ≤ 80.3%）和很好的纠缠产生能力。

图一、（A）传统偏振编码的控制非门的设计；（B）使用介质加载表面等离激元波导的工作原理；（C）偏振依赖分束器的SEM图；（D）从右耦入端入射的TM模式的传播效果；（E）从左耦入端入射的TM模式的传播效果；（F）从左耦入端入射的TE模式的传播效果。蓝色箭头表明耦入光位置和偏振方向。

图二、（A）基于介质加载金属表面等离激元的控制非门在ZZ基上测试得到的各基矢的几率；（B）在XX基上测试得到的各基矢的几率。

物理学院王漱明副研究员完成了样品的设计和测试，现代工学院博士生程庆庆完成了样品的加工，东南大学龚彦晓博士和美国西北大学孙诚教授也是本工作的合作者，李涛教授和祝世宁院士指导了此项工作，物理学院张若筠教授和马小松教授也提出了宝贵的意见。该项研究主要在南京大学微结构科学与技术协同创新中心完成，得到科技部重大研究计划（量子调控项目），国家自然科学基金（创新群体项目，重大集成项目，优秀青年基金项目和面上项目）以及南京大学登峰人才计划（B类）的支持。孙诚教授受到国家外专局高端国外专家项目的支持。