量子信息处理的集成化是当前国际科技竞争的重点。传统的自由空间光学和光纤光学虽然技术成熟，但体积庞大、难以扩展。现有集成量子芯片多采用单一编码方式：偏振维度编码信息容量受限，路径维度编码则需要不断增大相邻路径间距以避免串扰，导致芯片集成度严重下降。这些瓶颈制约了量子芯片向实用化、小型化发展。 针对这个问题，研究团队转向多模波导技术。他们发现，宽度仅为2.4微米的硅波导具有多个本征模式，每个模式相当于一个相互正交、互不干扰的独立通道。对于这种规格的绝缘体上硅波导，理论上可支持8个导模，对应8维量子态空间。这些模式被光子天然束缚在同一条波导内，既节省了芯片面积，又防止了信号串扰，使信息容量得到指数级提升。 为实现不同自由度间的灵活转换，研究团队设计开发了新型片上模式转化器和模式复用器。光子首先被编码为偏振态，通过转化器切换为路径编码，随后经复用器进入任意一条本征模式，最后通过干涉仪对不同自由度的单光子和双光子进行检测。实验结果表明，所有干涉可见度均超过90%，证明量子信息在各维度间的转换过程中几乎没有损耗。这套操作流程为集成量子光学芯片树立了高维并行处理的新范式，使单次测量能够同时读取8个维度的信息，大幅提升了信息吞吐量。 从应用前景看，这项突破为下一代量子计算、量子加密通信和量子中继等领域提供了可集成、可扩展、低功耗的硬件基础。研究团队已规划后续发展路线，计划将量子门阵列、量子存储器等功能模块集成到同一块硅基芯片上，最终实现量子计算机的小型化和便携化。这项研究得到了国家自然科学基金委、中科院、科技部、教育部以及中国科学技术大学、浙江大学等多方支持。
从二维编码走向高维并行，不仅提升了量子信息容量，更是集成量子技术迈向可扩展、可工程化的重要一步；以硅基波导本征模式为基础，推动量子态在芯片内稳定承载与灵活操控，将为量子计算与量子通信的系统化部署打开新的可能，也为我国在涉及的前沿领域形成原创优势提供支撑。