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

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引言
$ `/ l2 F& O) L# E- h* c量子信息處理是一個革命性領域，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。

) X) h% a/ h4 x' d) n9 d光子技術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)有的光通信基礎設施兼容。
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+ F2 D7 U# h) a/ t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。
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實驗設置
( @3 l6 [2 A8 L5 Y3 u0 _實現(xiàn)合成時間光子晶格的實驗設置包括以下關鍵組件：

飛秒光纖激光源

聲光調(diào)制器（AOM），用于降低重復率

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

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，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

密集波分復用器（DWDMs），用于分離信號和閑置光子

超導納米線單光子探測器（SNSPDs）用于檢測
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圖2：實驗設置示意圖，展示了激光源、光纖環(huán)路、光子生成和檢測組件。
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系統(tǒng)的核心是耦合光纖環(huán)路設置。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。
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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。

第一個PPLN波導執(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：
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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。

3 R  Y. Q" }: t8 U7 X量子行走的實現(xiàn)
1 ~' [. M9 o& `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。
* {3 n% C' V; Y/ j0 l
- l' f8 z' T5 G, C7 i( P( l+ U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)。

  f6 P/ ?5 q& C9 G! }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。
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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)）
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( e; Q( Y% o3 I量子干涉測量
* G) |1 L: `9 G. S- x8 _6 m# {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)。

; n' t; i" U: ], Z1 J圖4：四能級量子干涉結果，展示了不同控制方案的空間表示和歸一化符合計數(shù)結果。
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對于time-bin qubits，預期的干涉模式為：

對于四能級（量子比特）態(tài)，模式變?yōu)椋?font class="jammer">. }# U- v, j  p/ p; q: r6 W8 z

3 q( i. v" Z$ ~- O7 @# X+ {
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）。

, s9 y" {: ?4 U9 ]3 Q* c結果和意義
# ]6 ~* i/ a% ^3 L; R* t; t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。

' l0 D; w) R& s5 _. }9 s這些結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：
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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)使用標準電信波長和光纖技術。

靈活性：動態(tài)控制允許自適應協(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。
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; g# d% y0 _4 H2 {6 H% f未來方向
所展示的系統(tǒng)為量子信息處理應用提供了新的研究方向，包括：
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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

隨著技術的發(fā)展，光學組件性能的改進（例如，更快的耦合器和更低的損耗）將使更復雜的量子行走和更高維度的糾纏態(tài)得以實現(xiàn)。
9 o& g5 J2 j; a  `* u# u! }
- O# }/ f5 P  Y+ C: t2 p& J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。

4 t  V9 F0 j) K$ S5 U參考文獻
% t/ ?; Z( K' R/ M5 W) A$ A[1] M. Monika et al., "Quantum state processing through controllable synthetic temporal photonic lattices," Nat. Photonics, 2024, doi: 10.1038/s41566-024-01546-4.

END
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