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)自動化

引言
6 `; U: A% f; _: ^. f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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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。
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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。這些時(shí)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。

( g: H4 R8 F4 n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，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)勢在于能夠動態(tài)控制和操縱行走過程，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的量子態(tài)操作和提高檢測效率。

1 @- s9 \3 [" T2 x實(shí)驗(yàn)設(shè)置
8 t% ^: ?) A8 |# C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
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8 L$ e* N+ N; R; Y; L1 k6 D) X" S4 h圖2：實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，展示了激光源、光纖環(huán)路、光子生成和檢測組件。

- E. n! t! I% S! [. B) L( T$ _: H; r系統(tǒng)的核心是耦合光纖環(huán)路設(shè)置。由兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了合成時(shí)間晶格的創(chuàng)建。
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5 `3 r9 Z' g5 q) ^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(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。

最終的狀態(tài)是d級time-bin糾纏態(tài)，形式為：
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3 P5 G8 L( I3 J; E. G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之間的相對相位，s和i分別表示信號和閑置光子。
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量子行走的實(shí)現(xiàn)
! E6 Y3 S5 R0 U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(shí)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。

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)。

& U. F1 v2 S  D6 p  N# w; o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)之間動態(tài)調(diào)諧為不同的配置。
[/ol]
受控DTQW方案具有以下優(yōu)勢：
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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)行量子干涉測量（對于兩能級態(tài)）
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量子干涉測量
0 B" O% F. v$ O8 p& \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(jì)數(shù)。
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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(jì)數(shù)結(jié)果。

/ P2 m2 `6 O" e% M; i. U" K對于time-bin qubits，預(yù)期的干涉模式為：
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4 |3 {0 W8 W. l" B( T7 C! `+ j. P- v對于四能級（量子比特）態(tài)，模式變?yōu)椋?font class="jammer">  x$ T: K# f7 a% D  c# I% R

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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）。

結(jié)果和意義
實(shí)驗(yàn)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(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。
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1 J1 u, X) G+ ?# \8 V6 k1 s) \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(shí)現(xiàn)相比，這種方法具有以下優(yōu)勢：
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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(cuò)誤糾正。

效率：受控方案可以增加符合計(jì)數(shù)和總體檢測效率。

; ~1 J! n% P! e- P4 w) s3 O9 I0 i未來方向
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：
$ l; A- w( l) U; e$ \+ [

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)
! N  ?4 Q. I+ t, @
) t3 _1 @' q7 x! I, V2 J1 N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)。
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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。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。

) ?$ h, S5 q) p& j7 e; p" T參考文獻(xiàn)
) n, G. n8 J: }8 M. s# I[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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