Nature Photonics | 通過可控合成時間光子晶格的量子態(tài)處理

逍遙設(shè)計自動化

引言
量子信息處理是一個革命性領(lǐng)域，可實現(xiàn)強(qiáng)大的計算能力和安全通信。光子系統(tǒng)在這場量子革命中扮演著關(guān)鍵角色，利用光的獨特性質(zhì)來操控和傳輸量子信息。本文將探討創(chuàng)新的量子信息處理方法，即使用合成時間光子晶格和離散時間量子行走（DTQWs）。

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圖1：耦合光纖環(huán)路系統(tǒng)及合成空間中的表示。該圖展示了經(jīng)典泵浦脈沖序列的制備和糾纏光子在合成維度中的量子行走。

光子技術(shù)中合成維度的概念為量子實驗提供了新的研究方向。通過使用time-bin（光的離散時間模式），研究人員創(chuàng)造了可擴(kuò)展的合成維度，與傳統(tǒng)的空間實現(xiàn)相比具有多項優(yōu)勢。這些時間模式對噪聲具有魯棒性，可在室溫下操控，并且與現(xiàn)有的光通信基礎(chǔ)設(shè)施兼容。

這種方法的核心是離散時間量子行走（DTQW），是經(jīng)典隨機(jī)行走的量子力學(xué)類比。在DTQW中，量子粒子（在這里是光子）在晶格中移動，其路徑由初始狀態(tài)和量子干涉效應(yīng)共同決定。在合成時間晶格中實現(xiàn)DTQW的優(yōu)勢在于能夠動態(tài)控制和操縱行走過程，從而實現(xiàn)優(yōu)化的量子態(tài)操作和提高檢測效率。

實驗設(shè)置
實現(xiàn)合成時間光子晶格的實驗設(shè)置包括以下關(guān)鍵組件：

飛秒光纖激光源

聲光調(diào)制器（AOM），用于降低重復(fù)率

可調(diào)濾波器，用于縮窄帶寬

由兩個不同長度環(huán)路組成的耦合光纖環(huán)路系統(tǒng)

用于注入和提取脈沖的光開關(guān)

動態(tài)中央耦合器，用于控制環(huán)路之間的相互作用

周期性極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)，用于光子對生成

相位調(diào)制器，用于控制time-bin之間的相對相位

密集波分復(fù)用器（DWDMs），用于分離信號和閑置光子

超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPDs）用于檢測
  c1 Z4 {7 N! r9 I. b5 r[/ol]
$ J  r' g% S5 D9 Z* U

$ }6 p  g! }- f' T圖2：實驗設(shè)置示意圖，展示了激光源、光纖環(huán)路、光子生成和檢測組件。

9 [* J6 o& T* }9 W3 N系統(tǒng)的核心是耦合光纖環(huán)路設(shè)置。由兩個不同長度的光纖環(huán)路（通常約100-120米）組成，通過動態(tài)可控耦合器連接。此配置通過操縱光脈沖在環(huán)路中的傳播，實現(xiàn)了合成時間晶格的創(chuàng)建。

4 L8 l8 k. H; S, G; s" Y8 P9 c生成time-bin糾纏光子對
+ ~4 ]8 F3 Z& s: ~: L生成time-bin糾纏光子對的過程包括以下步驟：

將單個激光脈沖注入光纖環(huán)路系統(tǒng)。

脈沖被分割并在環(huán)路中循環(huán)，創(chuàng)建具有精確時間間隔的脈沖序列。

這個脈沖序列隨后用于泵浦兩個級聯(lián)的PPLN波導(dǎo)。

第一個PPLN波導(dǎo)執(zhí)行二次諧波生成（SHG），將1550 nm脈沖轉(zhuǎn)換為775 nm。

第二個PPLN波導(dǎo)利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）生成糾纏光子對。

最終的狀態(tài)是d級time-bin糾纏態(tài)，形式為：
+ v. N/ V4 q) z[/ol]
' _: [4 r! ?5 l  S/ V

; V2 j  U- x" |& `# N
( G6 l0 z) O( ^) d其中d是time-bin的數(shù)量（在本實驗中為2或4），θ是連續(xù)time-bin之間的相對相位，s和i分別表示信號和閑置光子。

9 {: n2 D) K9 w- s; d量子行走的實現(xiàn)
$ V! y, T5 r' o1 j5 {" e- G1 n通過將生成的糾纏光子對重新插入光纖環(huán)路系統(tǒng)來實現(xiàn)量子行走。行走過程通過動態(tài)中央耦合器控制，可以快速在不同的耦合比（全透射、全反射或50:50分光）之間切換。

) u$ H' j$ {7 @- b圖3：非受控和受控量子比特干涉方案的比較，展示了空間表示、單光子直方圖和歸一化符合計數(shù)。
; `) d! j$ Y' ~5 d8 x
探索了兩種主要方案：

非受控DTQW：在整個實驗過程中，中央耦合器保持固定的50:50比例。

受控DTQW：中央耦合器在同一圈數(shù)內(nèi)和不同圈數(shù)之間動態(tài)調(diào)諧為不同的配置。
  l: `; P' A9 n8 q[/ol]
受控DTQW方案具有以下優(yōu)勢：

減少符合窗口外的光子計數(shù)

增加符合計數(shù)

能夠在不進(jìn)行后選擇的情況下進(jìn)行量子干涉測量（對于兩能級態(tài)）
+ r7 y! C1 A, G7 e' m
* J; x4 m  o% s. m) d7 T$ |量子干涉測量
為了表征生成的糾纏態(tài)的質(zhì)量和量子行走的有效性，研究人員進(jìn)行量子干涉測量。這些測量涉及改變time-bin之間的相對相位θ，并測量信號和閑置光子之間的符合計數(shù)。
, ]* Z) B+ J& ^8 H, Y
# E/ A9 r! v3 [, w" q) c圖4：四能級量子干涉結(jié)果，展示了不同控制方案的空間表示和歸一化符合計數(shù)結(jié)果。
) C( d7 V6 T) S& `  b. x  e
對于time-bin qubits，預(yù)期的干涉模式為：
0 x- T$ |; O3 k
對于四能級（量子比特）態(tài)，模式變?yōu)椋?font class="jammer">1 w" V: S; h7 O2 Q

8 r& ^( U$ d% ^+ r# U; I9 D8 b7 `
) q5 f! [! X2 U$ v( s* q7 m其中ε2和ε4表示量子態(tài)受噪聲影響的概率。為了違反貝爾不等式并展示真正的量子行為，這些值必須超過特定閾值（量子比特為0.7071，四能級量子比特為0.8170）。

- c. {9 w/ F# g! @結(jié)果和意義
實驗證明了兩能級和四能級time-bin糾纏態(tài)的高可見度量子干涉。對于量子比特，實現(xiàn)了97.82%（非受控）和96.83%（受控）的原始可見度，遠(yuǎn)高于違反貝爾不等式所需的閾值。對于四能級量子比特，兩種不同的控制方案分別獲得了91.55%和89.61%的可見度，同樣超過了所需閾值。

" G6 Y$ W  {0 O) y* k, d" U! x這些結(jié)果突顯了合成時間光子晶格在量子信息處理中的潛力。動態(tài)控制量子行走的能力允許優(yōu)化態(tài)的制備、操縱和檢測。與傳統(tǒng)的空間實現(xiàn)相比，這種方法具有以下優(yōu)勢：

可擴(kuò)展性：可以增加time-bin的數(shù)量而無需添加物理組件。

兼容性：系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)電信波長和光纖技術(shù)。

靈活性：動態(tài)控制允許自適應(yīng)協(xié)議和錯誤糾正。

效率：受控方案可以增加符合計數(shù)和總體檢測效率。

未來方向
# m0 o" _! o! Z0 V/ c( P& h7 }8 l所展示的系統(tǒng)為量子信息處理應(yīng)用提供了新的研究方向，包括：
4 K8 D! a$ j0 v# d/ _- c

具有增強(qiáng)密鑰率的量子密鑰分發(fā)

高維量子算法的實現(xiàn)

復(fù)雜物理系統(tǒng)的量子模擬

玻色采樣和其他量子優(yōu)越性實驗
4 D1 ~$ d- T/ G2 L8 ?* Q; b; w
, Z& i$ z7 _+ Z9 w  L6 R; k隨著技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)組件性能的改進(jìn)（例如，更快的耦合器和更低的損耗）將使更復(fù)雜的量子行走和更高維度的糾纏態(tài)得以實現(xiàn)。
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通過光纖環(huán)路系統(tǒng)實現(xiàn)的合成時間光子晶格為量子信息處理提供了極具潛力的平臺。通過結(jié)合離散時間量子行走的力量和time-bin編碼的靈活性，研究人員創(chuàng)造了一種多功能且可擴(kuò)展的量子態(tài)操縱方法。
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參考文獻(xiàn)
[1] M. Monika et al., "Quantum state processing through controllable synthetic temporal photonic lattices," Nat. Photonics, 2024, doi: 10.1038/s41566-024-01546-4.

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