Nature Photonics | 通过可控合成时间光子晶格的量子态处理

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引言
量子信息处理是一个革命性领域，可实现强大的计算能力和安全通信。光子系统在这场量子革命中扮演着关键角色，利用光的独特性质来操控和传输量子信息。本文将探讨创新的量子信息处理方法，即使用合成时间光子晶格和离散时间量子行走（DTQWs）。
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图1：耦合光纤环路系统及合成空间中的表示。该图展示了经典泵浦脉冲序列的制备和纠缠光子在合成维度中的量子行走。
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+ U& Z5 K; Y$ V8 o, `光子技术中合成维度的概念为量子实验提供了新的研究方向。通过使用time-bin（光的离散时间模式），研究人员创造了可扩展的合成维度，与传统的空间实现相比具有多项优势。这些时间模式对噪声具有鲁棒性，可在室温下操控，并且与现有的光通信基础设施兼容。

0 ~8 i" H! W8 Z# L( A+ |这种方法的核心是离散时间量子行走（DTQW），是经典随机行走的量子力学类比。在DTQW中，量子粒子（在这里是光子）在晶格中移动，其路径由初始状态和量子干涉效应共同决定。在合成时间晶格中实现DTQW的优势在于能够动态控制和操纵行走过程，从而实现优化的量子态操作和提高检测效率。
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+ Y% F% T" ?  i7 s( g% _  {0 g$ f实验设置
实现合成时间光子晶格的实验设置包括以下关键组件：

飞秒光纤激光源

声光调制器（AOM），用于降低重复率

可调滤波器，用于缩窄带宽

由两个不同长度环路组成的耦合光纤环路系统

用于注入和提取脉冲的光开关

动态中央耦合器，用于控制环路之间的相互作用

周期性极化铌酸锂（PPLN）波导，用于光子对生成

相位调制器，用于控制time-bin之间的相对相位

密集波分复用器（DWDMs），用于分离信号和闲置光子

超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）用于检测
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图2：实验设置示意图，展示了激光源、光纤环路、光子生成和检测组件。
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6 r) C  q/ z3 |( |! M系统的核心是耦合光纤环路设置。由两个不同长度的光纤环路（通常约100-120米）组成，通过动态可控耦合器连接。此配置通过操纵光脉冲在环路中的传播，实现了合成时间晶格的创建。
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生成time-bin纠缠光子对
生成time-bin纠缠光子对的过程包括以下步骤：

将单个激光脉冲注入光纤环路系统。

脉冲被分割并在环路中循环，创建具有精确时间间隔的脉冲序列。

这个脉冲序列随后用于泵浦两个级联的PPLN波导。

第一个PPLN波导执行二次谐波生成（SHG），将1550 nm脉冲转换为775 nm。

第二个PPLN波导利用自发参量下转换（SPDC）生成纠缠光子对。

最终的状态是d级time-bin纠缠态，形式为：
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: _3 C0 r, u0 S6 Y其中d是time-bin的数量（在本实验中为2或4），θ是连续time-bin之间的相对相位，s和i分别表示信号和闲置光子。
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  N! r! v& R) Y0 B6 S, [; N  g8 Z6 I2 z量子行走的实现
3 h5 Q/ m  e- Z0 W3 p通过将生成的纠缠光子对重新插入光纤环路系统来实现量子行走。行走过程通过动态中央耦合器控制，可以快速在不同的耦合比（全透射、全反射或50:50分光）之间切换。

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( @% T6 W* v9 e  k图3：非受控和受控量子比特干涉方案的比较，展示了空间表示、单光子直方图和归一化符合计数。

% @" u3 p6 y! _) o) x7 P2 w探索了两种主要方案：

非受控DTQW：在整个实验过程中，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数内和不同圈数之间动态调谐为不同的配置。
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9 N; C1 c; h4 K! Z# {受控DTQW方案具有以下优势：

减少符合窗口外的光子计数

增加符合计数

能够在不进行后选择的情况下进行量子干涉测量（对于两能级态）

量子干涉测量
为了表征生成的纠缠态的质量和量子行走的有效性，研究人员进行量子干涉测量。这些测量涉及改变time-bin之间的相对相位θ，并测量信号和闲置光子之间的符合计数。
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图4：四能级量子干涉结果，展示了不同控制方案的空间表示和归一化符合计数结果。
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对于time-bin qubits，预期的干涉模式为：

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对于四能级（量子比特）态，模式变为：

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其中ε2和ε4表示量子态受噪声影响的概率。为了违反贝尔不等式并展示真正的量子行为，这些值必须超过特定阈值（量子比特为0.7071，四能级量子比特为0.8170）。

! J& ~) p: S( ]' m3 e" w结果和意义
实验证明了两能级和四能级time-bin纠缠态的高可见度量子干涉。对于量子比特，实现了97.82%（非受控）和96.83%（受控）的原始可见度，远高于违反贝尔不等式所需的阈值。对于四能级量子比特，两种不同的控制方案分别获得了91.55%和89.61%的可见度，同样超过了所需阈值。
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8 D3 c% M; M% [这些结果突显了合成时间光子晶格在量子信息处理中的潜力。动态控制量子行走的能力允许优化态的制备、操纵和检测。与传统的空间实现相比，这种方法具有以下优势：
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可扩展性：可以增加time-bin的数量而无需添加物理组件。

兼容性：系统使用标准电信波长和光纤技术。

灵活性：动态控制允许自适应协议和错误纠正。

效率：受控方案可以增加符合计数和总体检测效率。
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8 f% U+ m4 R: V2 g未来方向
所展示的系统为量子信息处理应用提供了新的研究方向，包括：
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具有增强密钥率的量子密钥分发

高维量子算法的实现

复杂物理系统的量子模拟

玻色采样和其他量子优越性实验
, T+ A# H5 U( Q# j0 Y
$ T2 q) ^5 _2 ]% Q5 \随着技术的发展，光学组件性能的改进（例如，更快的耦合器和更低的损耗）将使更复杂的量子行走和更高维度的纠缠态得以实现。
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+ d4 s. X3 Y- a2 w通过光纤环路系统实现的合成时间光子晶格为量子信息处理提供了极具潜力的平台。通过结合离散时间量子行走的力量和time-bin编码的灵活性，研究人员创造了一种多功能且可扩展的量子态操纵方法。
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/ P# r0 }! S0 I% r" b! {参考文献
- a$ f- a3 }8 |0 `: ~( R[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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