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）。
( ]5 [' b1 r7 F7 Z! `
) ]& U% `" B' r( H  E( Z

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。

- [5 \9 ~  e& l% R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。

, l- N; ]% S# W, S# U這種方法的核心是離散時間量子行走（DTQW），是經(jīng)典隨機行走的量子力學(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
! D9 U+ ~+ \( b# g5 a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
1 ^. ]1 K  }# w: V/ y2 q[/ol]
8 w( }$ a( h6 J% d8 R
! r! l# D0 d+ a, q, {* X, B0 i
5 f; n4 `) C7 z1 m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。

( c, q7 S: A0 f- b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。

; O& r5 S! Q* O9 t* B生成time-bin糾纏光子對
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：
" G2 S' n, ^. A% F$ I. t[/ol]

; s  r8 h- N2 T! n: d

3 }  n; V8 W( g$ [# f, 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。
0 p* f' G2 ~7 R( a& f" R7 h
* h1 @* B1 `5 X+ o# j1 M( x量子行走的實現(xiàn)
# o% S) U+ w& T, p% P5 j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。
9 g& L& f$ ?9 d6 _7 a
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)。
, t3 _- L& H  R# I
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。
- w3 C* N9 e2 g. _2 g: g[/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)

能夠在不進行后選擇的情況下進行量子干涉測量（對于兩能級態(tài)）

3 t& T& r9 J$ D0 {4 W量子干涉測量
4 [! F" a; V/ P( k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)。
0 X# R7 c4 Z/ Q: p
# s" f$ r5 ^9 r# o5 G6 z2 J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。

3 _0 p/ z, Q! B3 P3 D對于time-bin qubits，預(yù)期的干涉模式為：
9 w; ]& c) ?/ W  g# V
對于四能級（量子比特）態(tài)，模式變?yōu)椋?font class="jammer">/ I* |: y9 o1 \* ~' ^" s

& h) `% B+ V4 T* o5 B
7 {7 d5 v* o# O5 d4 }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）。
& l* r) k2 |9 _6 d3 n; p+ L
, j+ Z* Z: _3 O9 ~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。

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：
& S; G4 w5 Q. Y9 c  f8 `

可擴展性：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
8 D" j8 l7 Z% Y5 a7 D, d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：

具有增強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

3 }& U6 ?$ P5 i1 ~7 x隨著技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)組件性能的改進（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)。

. M% h6 F( I2 U/ k" o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展的量子態(tài)操縱方法。

參考文獻
9 o, i* l4 T1 ?[1] M. Monika et al., "Quantum state processing through controllable synthetic temporal photonic lattices," Nat. Photonics, 2024, doi: 10.1038/s41566-024-01546-4.
% X  W& g4 r/ \; b( m* h* \
END


7 s2 v: h/ ?7 A# |, R2 w軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
) k2 A( R! c  y. U
6 r/ c: }2 d) T8 T歡迎轉(zhuǎn)載
' d+ B! `- C1 @3 O/ e+ J
轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

- h7 K6 _+ w' [" o: E
" N2 V3 f0 ?3 M. X# P2 ~


5 \# ~! |9 J+ ~關(guān)注我們
, d  ~  M- k; t! l7 ]
- \/ x8 h% \9 B; n5 l& s7 |& I

4 C/ J  s2 j7 E* z5 v. N 3 \  S9 |8 V) i

                     
6 m; [# ?6 I, z  C7 e4 b


關(guān)于我們：
1 M/ u  V& ?& w8 _0 Q深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
$ P$ ^3 E7 ^* A! \7 L
http://www.latitudeda.com/
, o, R. c% n+ A; p' B" P% v. o（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）