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。在过去集成量子光学芯片研究中，人们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在硅光子集成芯片研制上，首次利用硅纳米光波导本征模式作为量子信息编码的新维度，利用一条支持多个波导模式的多模波导实现量子信息高维编码，有效避免了信息串扰问题，同时利用光子的多个自由度显著提升信息容量。他们还利用新型硅基片上模式转化器和模式复用器，成功实现偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，单光子和双光子的干涉可见度均超过90%，充分展示了在集成量子光学芯片中同时操纵多个自由度的可能性，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定重要基础。
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