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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
量子信息處理是一個(gè)革命性領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的計(jì)算能力和安全通信。光子系統(tǒng)在這場(chǎng)量子革命中扮演著關(guān)鍵角色，利用光的獨(dú)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(shí)間光子晶格和離散時(shí)間量子行走（DTQWs）。


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+ g: g! W  V" ]- R/ K0 p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。

8 q6 y1 _" K2 r  W% u7 Z# V: P光子技術(shù)中合成維度的概念為量子實(shí)驗(yàn)提供了新的研究方向。通過使用time-bin（光的離散時(shí)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(shí)現(xiàn)相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。這些時(shí)間模式對(duì)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。

2 K+ s9 [  I" d- q/ o( L. r這種方法的核心是離散時(shí)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(dòng)，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(shí)間晶格中實(shí)現(xiàn)DTQW的優(yōu)勢(shì)在于能夠動(dòng)態(tài)控制和操縱行走過程，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的量子態(tài)操作和提高檢測(cè)效率。
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實(shí)驗(yàn)設(shè)置
+ p3 o1 a$ v% U( g實(shí)現(xiàn)合成時(shí)間光子晶格的實(shí)驗(yàn)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(gè)不同長(zhǎng)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(dòng)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(duì)生成

相位調(diào)制器，用于控制time-bin之間的相對(duì)相位

密集波分復(fù)用器（DWDMs），用于分離信號(hào)和閑置光子

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPDs）用于檢測(cè)
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圖2：實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，展示了激光源、光纖環(huán)路、光子生成和檢測(cè)組件。

* u. d6 X# m' _; c2 Z# P: O系統(tǒng)的核心是耦合光纖環(huán)路設(shè)置。由兩個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖環(huán)路（通常約100-120米）組成，通過動(dòng)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(shí)現(xiàn)了合成時(shí)間晶格的創(chuàng)建。

生成time-bin糾纏光子對(duì)
+ ?- h( s, G2 w' U生成time-bin糾纏光子對(duì)的過程包括以下步驟：

將單個(gè)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(shí)間間隔的脈沖序列。

這個(gè)脈沖序列隨后用于泵浦兩個(gè)級(jí)聯(lián)的PPLN波導(dǎo)。

第一個(gè)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(gè)PPLN波導(dǎo)利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）生成糾纏光子對(duì)。

最終的狀態(tài)是d級(jí)time-bin糾纏態(tài)，形式為：
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! G& ~- @; D: n: _8 i, r- w$ d
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4 E8 D( K: Q% s. o( R9 L. F1 ~6 r其中d是time-bin的數(shù)量（在本實(shí)驗(yàn)中為2或4），θ是連續(xù)time-bin之間的相對(duì)相位，s和i分別表示信號(hào)和閑置光子。

0 A. ~( y* p7 R* H. i量子行走的實(shí)現(xiàn)
" U" E  @7 k! [: E+ f* X/ e3 z通過將生成的糾纏光子對(duì)重新插入光纖環(huán)路系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)量子行走。行走過程通過動(dòng)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。

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(jì)數(shù)。

5 T0 C( F( K0 n9 W0 f+ ?探索了兩種主要方案：

非受控DTQW：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)調(diào)諧為不同的配置。
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. F7 {: u5 [+ k受控DTQW方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

減少符合窗口外的光子計(jì)數(shù)

增加符合計(jì)數(shù)

能夠在不進(jìn)行后選擇的情況下進(jìn)行量子干涉測(cè)量（對(duì)于兩能級(jí)態(tài)）
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量子干涉測(cè)量
! g" |; k$ Z  R" T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(cè)量。這些測(cè)量涉及改變time-bin之間的相對(duì)相位θ，并測(cè)量信號(hào)和閑置光子之間的符合計(jì)數(shù)。
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圖4：四能級(jí)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(jì)數(shù)結(jié)果。
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" F1 K6 u2 a" o" G2 C對(duì)于time-bin qubits，預(yù)期的干涉模式為：
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5 b0 c0 z$ S+ S! M7 b5 V對(duì)于四能級(jí)（量子比特）態(tài)，模式變?yōu)椋?font class="jammer"># s! c, `+ K6 I; N3 u5 o


9 y8 o( q0 c! }0 u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(jí)量子比特為0.8170）。

結(jié)果和意義
( |# \0 \$ T& S- ]. n實(shí)驗(yàn)證明了兩能級(jí)和四能級(jí)time-bin糾纏態(tài)的高可見度量子干涉。對(duì)于量子比特，實(shí)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(duì)于四能級(jí)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。

: X. c# e: \- I9 z3 V) Y' @# h這些結(jié)果突顯了合成時(shí)間光子晶格在量子信息處理中的潛力。動(dòng)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(cè)。與傳統(tǒng)的空間實(shí)現(xiàn)相比，這種方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

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(zhǎng)和光纖技術(shù)。

靈活性：動(dòng)態(tài)控制允許自適應(yīng)協(xié)議和錯(cuò)誤糾正。

效率：受控方案可以增加符合計(jì)數(shù)和總體檢測(cè)效率。

未來方向
, N' \; z( b, M% f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：
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具有增強(qiáng)密鑰率的量子密鑰分發(fā)

高維量子算法的實(shí)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(shí)驗(yàn)

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(shí)現(xiàn)。

通過光纖環(huán)路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的合成時(shí)間光子晶格為量子信息處理提供了極具潛力的平臺(tái)。通過結(jié)合離散時(shí)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。

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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