首次量化多个光子的不可区分性，为大规模光量子计算机奠定基础

 光子盒研究院出品

光子的不可区分性是未来光量子计算机需要的一个重要特性。以前的方法一次只能量化两个光子的不可区分性。现在，来自法国和意大利的研究团队开发了一种新的光学设备，第一次可以量化多个光子的不可区分性。9月2日，相关成果以《用循环集成干涉仪量化n个光子的不可区分性》为题[1]，发表在《物理评论X》上。

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新设备：精确量化光子的不可区分性

光子可用于执行复杂的计算，但它们必须相同、或接近相同。此次由米兰理工大学团队制造的一种新设备，可以确定一个“源”发出的几个光子在多大程度上是不可区分的：以前的方法只能粗略估计出光子的不可区分性，但新方法提供了精确的测量。这个设备本质上是互连波导的排列，可以作为量子光学实验室的诊断工具。

在光量子计算中，光子序列在复杂的光学电路中相互交互。早在2019年，中国科大团队曾利用光量子计算机证明了其在解决“玻色采样问题”的“量子优越性”[2]：这意味着预测一组输入玻色子（正常情况下是光子）在经历了某种具有多种可能结果/“模式”变换过程之后的分布，对可能的分布范围进行抽样的最有效方法是通过实验来体现计算的物理性。

为了使这些计算起作用，光子必须具有相同的频率、相同的极化和相同到达设备的时间。研究人员可以通过一种干涉仪轻松检查两个光子是否无法区分：在这种干涉仪中，两个波导（每个光子一个波导）靠得足够近；但是，一个光子可以跳入相邻的波导。因此，如果这两个光子完全无法区分，那么它们最终总是会在同一个波导中一起出现。

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四光子系统：验证光子的不可区分性

对于较大的光子集，这种成对测试变得不切实际，因为它必须对所有可能的双光子组合进行重复。研究人员已经设计出了近似的方法，但他们只给出了不可区分性的上限和下限。此篇论文的第一作者、米兰理工大学的Andrea Crespi说：“当你有两个以上的光子时，评估它们是否相同并不那么容易。”

图1 这张图显示了一个测量不可区分性的概念装置。光子从左边进入，被波导引导到右边的输出。在特定的点（黑条），光子可以跳到邻近的波导。这种跳跃的概率取决于光子的不可区分性。

Crespi和他的同事想出了一个简单的方法：通过让多个光子在一个高度协调的波导阵列中相互作用来确定它们的不可区分性。第一次演示时，该团队构建了一个四光子的系统。他们从一块玻璃板开始，用激光写入技术来“印证（imprint）”八个高密度的管子，用于引导光子通过玻璃板。这些波导就像一条八车道的高速公路，供光子“司机”使用，他们可以在相邻车道接触的特定点改变车道。例如，2号车道在特定位置与1号和3号车道相接触。一座类似的“桥梁”也连接着1号和8号车道，因此每条车道都接触到两个邻居。

该团队使用一种被称为量子点的半导体源，反复向奇数车道（1，3，5，7）输入四个光子，并在高速公路的尽头，记录哪些车道被光子占据。

最终，他们观察到许多的车道排列，如（1，3，5，6）和（2，4，6，8）。接下来，研究人员用激光加热其中一条车道，逐渐改变其折射率，这在一些最终车道排列的概率中引起了振荡：这些振荡意味着干扰效应正在影响车道的变化。

 图2 实验装置示意图。一个基于量子点的单光子源（QDSPS）被周期性地激发并发射出一串单光子。使用一个基于周期性驱动声光调制器（AOM）的解多工器，将光子分离成四个空间模式（spatial mode）。光子的偏振用波板控制的，并使用延迟光纤来确保四个光子的同时到达。使用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在干涉仪的输出端检测光子，并使用一个相关器记录四光子的重合。

 图3 当四个相同的光子状态（1，3，5，7）被输入时，其检测的输出状态。

研究小组从理论上表明，振荡的振幅给出了真正的不可区分性，这是一个从0到1的数字，其中1对应于完全相同的光子。他们发现不可区分性为0.8，意味着他们的系统有一些不完善之处。研究人员还表明，他们可以通过旋转一个输入光子的偏振来使振荡消失，从而使其与其他光子区分开来。

 图4 通过使用半波板旋转其偏振（相对于图3中实验的参考位置θ = 0°），光子A的不可区分性相对于其他光子而言有所降低。通过旋转半波板分别为θ（a） = 11°、θ（b） = 19°、θ（c） = 31°、θ（d） = 45°，“震荡”的能见度降低，因为测得的最小双光子Hong-Ou-Mandel干涉能见度（提取的单光子不可区分性）降低了。当光子A几乎完全可区分时，测得的四光子振荡的振幅对比度下降到几乎为零。

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实验成果意义重大

可以想象，这项技术可以在更多的光子下工作，但看到车道排列变化所需的测量数量会随着光子数量的增加而呈指数级增长。因此Crespi承认，对于未来处理100个或更多光子的光学计算机来说，这将是不现实的。不过，他还是预见到他们的装置是对量子光学实验的一种突破性方法。他说：“我们的实验为量子光学实验者的工具箱增加了一个工具。“

中国科学技术大学的量子信息专家陆朝阳说[3]：“这篇论文报告了一种有用的方法，通过测量多光子不可区分性来诊断光子量子电路。这是一个重要的指标，对实验的不完美非常敏感。”荷兰莱顿大学的量子光学专家Wolfgang Löffler说：“这是一个非常聪明的干涉仪设计。”他还对产生、分离光子序列的光学系统印象深刻：让所有器件一起工作是一项重大努力。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.031033

[2]https://physics.aps.org/articles/v12/s146

[3]https://physics.aps.org/articles/v15/135

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