量子前沿 | 单光子，为什么是量子科技的“源头”？

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前言：基础研究是科技创新的基石。鉴于此，光子盒增设“量子前沿”全新栏目，旨在介绍量子科技的一系列基础技术、相关进展及现状前景。

我们对量子信息的兴趣出现在20世纪90年代和21世纪。在该领域的发展过程中，单光子已经成为不同类型量子硬件的必要构件。

在量子技术的背景下，单光子的产生和操纵也已经成为量子通信和量子计算等应用的关键因素，也是量子计量学、生物学和探究量子物理学基础的实验的关键因素。5月26日，发表在Nature Reviews Physics的一篇文章概述了单光子源的定义和特征，并讨论了单光子源对量子通信和计算的要求。

要点概述

- 单光子是量子通信的关键元素，它们可以被用来实现量子密钥分发、连接量子网络；

- 量子通信需要电信波长范围内的单光子，这在技术上仍然具有挑战性；

- 用单光子进行量子计算是未来量子计算机的一个可行平台。对单光子的质量和数量的要求非常高——这是实现线性光学量子计算的主要限制；

- 我们仍然需要研究开发紧凑的源，以产生按需的、无差别的和尽可能高发射率的单光子

对单个光子进行定义和表征并不是一件容易的事，尽管对这个问题进行了几十年的研究，但光子的概念仍然令人费解，这有时会使其在应用中的使用变得相当棘手。

最简单的定义是，光子是最小的、离散的电磁辐射量；或者，正如阿尔伯特·爱因斯坦在1905年所介绍的那样，光子是光的量子。光子是无质量的玻色子，与任何量子物体一样，它们同时具有粒子和波的特性。根据不同的实验条件，人们既可以探测光子的粒子行为，也可以探测光子的波状行为，但要记住，这两者总是存在的。对于粒子性质，人们可以使用福克态形式主义，其中模式（麦克斯韦方程的解决方案）的占用被量化为光子数量算子的特征值H ̂。然后，单个光子就是特征值为N=1的模式的状态。

对于波的性质，采用的是时空光子波函数形式主义来描述。在20世纪60年代，Glauber通过为解释激光、黑体辐射和单光子源（SPS）的光子统计奠定基础，统一了现在被称为量子光学的学科。Glauber的形式主义通过一阶相关函数φ^E(x,t)来描述光子的波行为。在这个形式主义中，人们定义了单个光子的波函数，它再次服从麦克斯韦方程。

一个SPS可以通过实验手段来表征和识别。下图描述了如何测量SPS的两个特征属性。有趣的是，这两个实验确实分别测试了光源所发出的光的微粒(corpuscular)和波状特性。

量子光学。a）g(2)/Hanbury Brown and Twiss实验的测量：g(2)函数（即强度自相关函数）参数与分光器（R，反射；T，透射）输出端的两个探测器中同时出现的点击次数成正比；当一个时间t只有一个光子时，当输出端的时间延迟τ为零时，同时出现的点击次数为零；I是经典的光强度，n是以光子数量计算的量子等效光强度。b）Hong-Ou-Mandel效应可用于表征光子的可辨别性。它测量的是当一个光子通过每个输入端口进入时，分光器输出端的重合点击。当光子具有相同的状态（模式）并在同一时间到达分光器时，它们是不可区分的，并且重合的点击次数为零。

一般来说，SPS的单光子发射由四个参数定义：它的纯度（是否每次最多只有一个光子，由Hanbury Brown和Twiss实验决定）、它的保真度（两个光子彼此的不同程度，由HOM实验测量）、它的生成率（SPS每秒能提供多少光子）和源的效率（在实验装置结束时实际得到多少光子）。

不同的应用将对所使用的单光子的特性有不同的要求。我们应该强调，在某些情况下，人们可以使用弱相干态作为单光子的近似值。弱相干态是强衰减的激光束，但它保留了它们的统计特性，特别是g(2)(τ)=1，因此不属于SPS的范畴。不过，对于所有的应用来说，一个不变的事实是，一个单光子源可以提供零、一个或多个光子；多于一个光子的情况对本评论和参考文献中描述的所有应用都是不利的。

至少有三种产生单光子的方法。

第一种是使用一个发射器，在这个发射器中，我们可以识别并分离出两个能级，在自发发射时提供单光子。

第二种是使用一个“预示SPS(heralded SPS)”，在这里，通过自发参量下转换(SPDC)的机制，人们在两个空间上分开的模式中同时产生一对光子；在一个地方检测到其中一个光子（触发光子，trigger photon），预示着另一个光子将在很短的时间窗内出现在另一条路径上（预示光子，heralded photon）。

第三种是使用一个极其非线性的过滤器，通常称为“光子阻塞(photon blockade)”。在这里，人们将一束弱的激光送入一个只能传输单光子，而不能传输成对或高阶状态的介质——该介质可以是一个嵌入量子发射器的腔体。如果空腔的双光子状态与传入的场不发生共振，则只有传入的光子状态的单光子部分被传输。

单光子源。a）两级系统：产生单光子的一个可能的方法包括激发两级系统，并等待它正好发射一个光子而衰减。b）预示单光子源的原理。一个“红色”光子对的非线性晶体源被一个紫外脉冲激光器泵浦。在较低的泵浦功率下，晶体发射的大部分是空对脉冲，其中有一小部分（µ）是单对，更小部分（µ2）是双对。通过预示探测器的检测，使用快速开关对单光子脉冲进行门控。这个随机的脉冲序列会因暗计数产生的假触发器和高阶项而略有退化，后者可以通过降低μ来减少。

对于每一种产生单光子的方式，都有多种技术、材料和工艺可以实现，其中一些技术在某些应用中比其他应用更有意义。

我们可以将SPS分为两个主要类别：“自然”类别和“工程 ”类别。自然类利用自然界给予我们的单原子或单分子制成；“工程”类涉及来自半导体、高带隙材料和0D、1D到2D材料的固态光源（如通过物理方法生长的半导体量子点）和胶体纳米晶体（通过化学方法生长），也包括金刚石基质中的色心和2D材料的“缺陷”。

例如，一个似乎勾选了所有方框的SPS，使用半导体InGaAs量子点，在最终光纤的输出端实现了高达57%的效率，平均双光子干扰可见度（HOM）的保真度为97.5%，并且所有的特性都保持到了高达1GHz的时钟速率（在脉冲激发下，因此是脉冲发射）。

有预示的和无预示的SPS之间有很大区别。预示的SPS通常是由SPDC获得的，它遵循热统计学发射，这意味着对于获得一对光子的给定概率（从而在一个臂中获得一个预示的光子），总有一个非零概率获得两对光子（或更多）。因此，这种SPS的生成率总是有限的：因为人们需要在低激励水平下工作。多路复用可以规避这个问题，但代价是一个更复杂的系统。

检测单光子的应用与能够有效地生产或操纵它们同样重要。根据不同的应用，人们必须瞄准以下不同的考虑：

- 探测所有进入的光子

- 能够检测任何光子的能量

- 能够解决传入光子的数量问题

- 能够在没有背景噪音的情况下探测到它们

对“完美”探测器的追求仍在继续，许多方面都必须考虑到，如所需的波长范围、速度、宽动态范围等等。为了满足自己的需求，人们必须选择不同的材料、电子器件、低温的光学接口等等。

单光子探测器(SPD)是一种高灵敏度的光电探测器，可以探测单个光子。它可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，在光量子信息技术、人眼安全激光雷达、光子源表征等领域有着广泛的应用。

SPD的分类。根据检测器材料的不同，SPD可分为半导体单光子探测器和超导单光子探测器。根据器件检测原理的不同，半导体单光子探测器可进一步分为光电倍增管（PMT）、单光子雪崩光电二极管（SPAD）、频率上转换单光子探测器（UCSPD）等；而超导单光子探测器可进一步分为超导隧道结探测器（STJ）、转变边缘传感器（TES）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）等。来源：https://www.icvtank.com/newsinfo/834714.html

目前，大多数商业探测器是由半导体或超导体材料制成的固态探测器。目前有四个系列的这种单光子探测器，它们是光电倍增管、单光子雪崩光电二极管（可见光范围由硅制成，近红外（IR）范围由InGaAs制成）、超导纳米线单光子探测器和转变边缘探测器（TES；通常由钨制成）。

不同的单光子探测器有不同的优点和缺点。表中列出了目前使用的SPD的典型参数，其中一些数据来自参考文献，其他数据来自各公司网站。从表中可以看出，基于半导体的单光子探测器大多工作在可见光范围内，与超导单光子探测器相比，在红外范围内的探测效率较低，暗计数较高。来源：https://www.icvtank.com/newsinfo/834714.html

光电倍增管以光电效应为基础，主要用于紫外到可见光范围。单光子雪崩光电二极管是在所谓的“盖革模式”下工作的半导体光电二极管，而超导纳米线单光子探测器（近红外范围）和转变边缘传感器（中红外范围）是在接近临界相变的低温下工作的超导材料，其特殊性在于转变边缘传感器是测光仪，能够分辨进入的光子数量（到目前为止，在1550纳米的电信波长下最多）。

2022 年中国 SPD 市场价值 6700 万美元，预计到 2026 年将增长到 1.55 亿美元，6 年复合年增长率为 18.15%。来源：https://www.icvtank.com/newsinfo/834714.html

量子通信领域一般涉及到空间不同点之间的量子信息传输。光子已经是通过光纤的“经典”信息的载体。它们也适合于编码量子比特，由于它们在速度、相干性和低传播损耗方面的有利特性，使得量子信息可以远距离传输。

量子密码学是一种保障经典数据通信的方法，是迄今为止量子通信中最先进的子领域，它基于一个基本的量子现象：由一个可观测物（在时间、能量或偏振方面）的测量引起的波函数塌缩。这导致了所谓的无克隆定理，并能可靠地检测出第三方对传输的量子比特流的任何窃听企图——这在传输用激光脉冲编码的经典比特时是不可能做到的，并且，每个激光脉冲都包含大量的光子。

量子密钥分发（QKD）允许在网络中两个遥远的点之间安全地生成密钥，然后用于加密经典数据、通过公共信道传输。目前，这一领域已经开发了许多不同的方案，第一个也是最流行的方案是BB84协议，在该协议中，一端（通常称为Alice）在两个不同的基数中生成并编码了随机的状态序列，另一端（通常称为Bob）则在两个基数中再次随机选择Alice使用的基数。然后，Alice和Bob公开分享他们对每个传输的量子比特的基础选择，只保留那些相同的，允许他们产生一个秘密密钥。

更加通用的量子通信网络通常被称为“量子互联网”，这需要将遥远的量子计算设备（如处理器和模拟器）相互连接，并在全球范围内可扩展地传输量子比特。尽管使用衰减的激光器，QKD协议都可以方便地使用弱相干态（WCSs）来实现，并且使用真正的SPS操作最多可以提高效率，但基于量子传送的高级量子网络基础设施（如量子中继器）严重依赖于确定性光子源的可用性。

纠缠的产生、分发和存储是这些系统的核心，合适的单光子或纠缠光子对源是关键的使能技术之一。

由于量子通信协议通常在某一点上与单光子传输（量子信道）有关，光子损耗是实施中的限制因素，引起错误率的增加和效率的下降。因此，通过在最佳波段工作来保持低损耗是最重要的。对于在现有的单模光纤网络上的传输，在1460-1625纳米之间的电信S波段、C波段和L波段可以实现最低损耗，其中以1550纳米为中心的C波段是最广泛实施的选择；在电信O波段（1260-1360纳米）的操作只有稍高的损失，但有零色散的好处，并为数据通信释放更长的波长。

单个光子在自由空间的传输与低地球轨道上的卫星的量子通信链接也有关。在这里，在800纳米左右的可见光谱的长波长端操作对最低损耗最有利；然而，在电信C波段操作具有在白天操作时噪音较小的好处。

为了实现量子信道的高数据容量和与最先进的QKD技术的兼容性，在千兆赫兹时钟速率下操作<200 ps的光子源以有效利用检测器门宽是另一个重要标准。考虑到未来在紧凑的终端用户硬件和由广泛分布的网格（很可能无法进入）节点组成的量子网络基础设施中部署源，之后的科研重点应该放在开发强大的设备平台，保证简单和可靠的长期运行。

成熟的单光子产生的物理系统和它们的相应性能参数。每一行的数值可能来自于不同的实验/同一实验在不同条件下的实验，现在只说明了不同物理系统假设的整体性能。Det.，确定性；FWM，四波混合；NV，氮空位；Prob.，概率；QD，量子点；SPDC，自发参量下转换；Vis，可见；WCS，弱相干态。

现在，主要有三类成熟的单/纠缠光子源在量子通信应用的某些方面有很大的潜力。

研究最广泛的光源是基于SPDC或四波混合。尽管这些源如今操作起来相当简单，实现了高的纠缠保真度，并能在讨论的任何一个通信窗口发射，但它们不是亚泊松（统计量的波动比泊松统计量小）：在涉及到光子不可分性时，需要对光谱特性进行设计。由于热统计学的规律，最大效率被限制在25%，不过，在用预示的SPS的复用方法目前在克服这一限制方面取得了进展。

量子通信中的单光子应用。a）使用电信量子点(QD)单光子源(SPS)在35公里的光纤上用时间箱(time-bin)量子比特进行量子密钥分发。b）使用自发参量下变频产生的偏振纠缠光子对进行量子密钥分发。c）使用电驱动的QD-纠缠光子对源（E-LED）的量子中继，发送器、贝尔状态分析器（BSM）和接收器分别由350米的光纤隔开。

最有希望的确定性对应物是基于单个半导体QD的源，它也可以用于发射单个或纠缠的光子对。基于QD的光源的一个主要优势是其潜在的简单电操作、而不需要激光。尽管这通常是以降低光子相干性为代价的，但这对可扩展的量子通信方案至关重要，这使得这些器件成为量子通信应用中稳健和安全部署的主要候选器件。

另一类光子源对量子通信特别重要，它们是基于单个激光冷却的原子或金刚石中的缺陷中心，它们的共同点是静态自旋量子比特与发射的单个光子的量子态相耦合。尽管缺乏与光纤波长电信频段的兼容性，并且由于所使用的长寿命激发态只有较低的运行速度，这些源在量子中继器的应用上有很大的潜力，因为它们实际上是静态的量子存储器，通常可以选择确定性的高保真状态操作和读出——这是实现大距离纠缠互换的量子中继器链的关键任务。

1）使用单光子源的量子密码学

由于多年来缺乏便携式SPS，量子密码学领域已经适应了使用WCS激光源——它现在几乎是每个QKD系统的标准工作原理。诱骗协议的实施允许检测窃听企图（即使单光子系统中的弱相干激光脉冲被用于传输量子比特），该技术目前的技术水平是以千兆赫的时钟速率运行的系统，安全（量子）比特率超过10 Mb s-1、最大传输距离超过240公里（光纤）和1200公里（自由空间）。

将量子通信硬件集成到现有的通信网络中的重要一点是与经典数据流量复用的能力。这可以通过坚持使用经典通信中使用的波分复用方法来可靠地实现，要求未来的SPS符合相同的经典波长标准。

即使目前QKD技术的安全性不会因为使用WCS源而受到影响，但它们的操作本质上是概率性的：这对于通常使用的平均光子数为0.4-0.5的信号状态效率有限（大约为30-40%）。只要确定性的SPS超过这个界限，它们在量子密码学中的使用就会有明显的好处，从而产生更高的安全比特率，特别是在更长的传输距离上。

2）基于纠缠的量子通信

超越简单点对点加密的量子通信应用大多需要以某种形式分配纠缠。在量子中继链中，量子比特从一个中继站连续传送到另一个中继站，一个节点的投影贝尔状态测量会作为预示事件，预示着一个量子比特到达下一个节点。这有效地减少了一些主要由探测器暗计数引起的噪音，从而延长了整体传输距离。

纯粹的光量子中继并没有解决由于光子损失而产生的可扩展性问题，因为单个量子比特仍然需要通过光纤进行物理传播。相比之下，量子存储器辅助的中继器有望通过量子比特的远距离传输来解决这个问题，而之前的链接端点之间的纠缠分布是在远距离的。长距离纠缠是通过中间量子中继器节点之间的纠缠互换产生的，如果量子中继器确实有助于确保更远距离的安全通信，它们无助于提高数据速率，因为这仍然是由光子量子的原始源提供的。

人们可以区分三种不同的方法来实现量子中继器。第一种方法是将光子源和中继器的存储器完全分开，因此必须在这两种技术之间实现良好的接口，以便实现光子到静态量子比特的有效纠缠转移。使用预示的SPS和单原子、稀土掺杂的晶体量子存储器，基于原子的SPS和量子存储器以及基于QD的SPS和量子存储器，已经进行了量子存储器系统控制吸收单光子的初步实验。它们显然拥有很高的效率，因此，光子源和量子存储器的确定性操作与良好的带宽匹配对可扩展的实施同样重要。

第二种方法是利用可同时作为量子存储器的SPS，例如，发射与单个或集体自旋纠缠的单光子。通过对光子的投射测量产生两个节点之间的遥远纠缠，在这种纯概率的方法中基于巧合检测产生预示事件，有效地抑制了噪声。这使得它即使在非决定性的低效率源下也是可行的。

第三种较新的量子中继器的方法是纯光子的，不需要量子存储器（至少在建立超越QKD的通用量子通信信道时，对长距离链路中的所有中间节点是如此）。之前讨论的方法和这个方案之间的显著区别是，中继器节点之间不需要经典通信，这也是其他中继器方案中需要长量子比特存储时间的主要原因之一，该方案需要分布类似于全光量子计算中使用的大规模光子集群状态。到目前为止，这个中继器方案是唯一一个在实验中成功实施的方案：使用六个SPDC光子对源。

关于使用确定性SPS产生簇状状态，使用QD SPS也取得了很好的进。通过卫星上的可信节点或基于不可信节点的新QKD方案（如独立测量设备-QKD或双场QKD），对QKD的长距离扩展性问题也有很好的中间解决方案。

3）量子通信的现场演示

在现有的光纤网络上，已经有许多QKD的演示。由于真正的便携式和有效的确定性SPS仍未广泛使用，其中绝大多数都是用WCS源或概率预示源完成的。

由于目前在正确的波段产生真正的单光子的来源的复杂性要高得多，到目前为止，现场演示的情况非常少。虽然没有使用标准的电信网络，但通过双光子干扰实现的远距离物质量子的宏观纠缠已经在几百米的距离上得到了证明。与标准电信频段的不兼容是目前这些方案扩展到更大距离的主要限制。在这方面，量子频率转换是一个可能的解决方案——尽管其代价是增加了复杂性。

另一种有希望的、可能更简单的方法是使用直接在电信波长上发射的QD单光子和纠缠对源，这已经在大都市规模的标准电信网络中得到证明。

总的来说，尽管量子通信所需的所有构件都已经用不同种类的SPS进行了演示，但这些光源的实际应用仍然远远落后于基于WCS或非线性光子源的技术。这种情况目前阻碍了可扩展的量子通信链路的实施，需要确定性的亚泊松SPS或纠缠光子对源，这将最终建立一个全球规模的量子网络。

科学家仍然需要对物理系统进行研究，以获得一个确定性的SPS，同时具有高效率（>50%）、高光子不可辨性、千兆赫兹重复率和在实验室中的电信波长发射。除此之外，在通信网络中应用的主要挑战将是在SPS中操作发射元件所需的周围（目前通常是实验室填充）技术的可部署性。这主要需要对稳定的激光系统进行进一步的小型化和集成，因为共振光学激发或激光冷却的发射器（QD、NV色心和原子）需要这些系统，在可见光范围内发射的SPS需要频率转换器的小型化（NV色心和原子），以及开发紧凑型低温冷却器，因为大多数基于固态的源（QD和NV中心）需要这些设备。

虽然这些只是技术上的挑战，但目前的新兴技术（例如碳纳米管或二维材料），可能不需要任何这些周边技术，因此可以大大促进量子通信的发展。然而，目前对这些系统的研究仍处于早期阶段，无法做出任何预测。

单光子的另一个主要应用是在量子计算中。光子可以很容易地被设计成模式（路径和偏振）的叠加状态，允许在布洛赫球（用于代表任何任意量子比特）上产生任意状态。此外，单量子比特和双量子比特门可以用光子实现。一旦进入叠加状态，光子对退相干就有明显的弹性。

例如，一个在蟹状星云中以偏振状态产生的光子将在到达地球所需的8000年内保持偏振状态。然而，具有挑战性的是，光子很容易被吸收或散射出模式而丢失。

这么说来，创建一个定义明确且（相对）长寿的量子比特是第一步；接下来，需要量子比特之间的相互作用来创造多量子比特纠缠。但光子只与环境发生微弱的相互作用，因此仅用线性元素创造光子-光子的相互作用几乎是不可能的。然而，通过HOM效应实现高能见度的双光子干扰导致了在后选择(post-selection)上操作的双量子门的发展。

在这种情况下，后选择意味着当记录到一个特定的测量模式时，门是成功的。原则上，高保真门是可以建立的，然后可以通过增加额外的单光子资源来缓解该过程的有限效率所隐含的损失。然而，对于量子计算，有一个可扩展性的要求，因为现实的计算需要许多量子比特。尽管少于100个量子比特也可以实现量子优势，但任意的、有用的算法将需要数百万个量子比特。

在这种基于线性光学门的理论机器中，许多光子将被用来编码单个量子比特，这样就可以用纠错来“保护”量子比特免受退相干、低保真度门和损失过程的影响。这种可扩展性对单光子的生产效率、光路的损耗统计和干扰操作的保真度提出了特殊要求。

用于可扩展量子计算的单光子源的性能要求

Performance Requirements

- 高效率：光源应将近100%的单光子输送到所需模式

- 高模式纯度：单光子需要占据单一的空间、光谱-时间或偏振模式，允许接近100%的Hong-Ou-Mandel浸透率

- 高光子数量的纯度：源需要有一个非常低的概率产生更多的光子，从而使Hong-Ou-Mandel的可见性再次不受影响

- 在本文范围之外，还有对电路损耗、检测效率阈值和快速前馈和开关的进一步严格要求；

- 在某些结构中，保留与发射的光子纠缠的单光子源也可以发挥作用

可以注意到的是，这些要求比其他应用（如通信、计量学）的要求要严格得多。

为了使单光子能够实现量子计算，人们必须确保它们在效率、纯度和不可分性方面具有正确的特性。量子计算最突出的模型是基于门的量子计算，其中量子算法被分解为作用于单个或多个量子比特的量子门。然而，在光子系统的背景下，面临的挑战是光子不直接交互，因此基于光子学的量子门的实现需要一些变通。在2001年曾有科研表明，使用分束器、移相器、SPS和光电探测器，用线性光学进行高效的量子计算是可能的。

实现线性光学量子门的两种方法是通过后选或通过使用额外的ancilla光子和预示测量；后者的优点是可以连续应用多个门。后选意味着光子进入一个线性光学电路，通过它，在输出端，只选择特定的测量配置。

量子计算中的单光子应用。a）基于门的模型，其中双量子门需要使用ancilla光子和/或后选；b） 单向模型，这是基于对大规模集群状态进行单量子比特测量。节点代表物理量子比特，每一行代表一个逻辑量子比特。线条（连接）表示C-Phase门被应用于生成集群状态的地方。首先，最左边的量子比特被测量，然后将结果反馈给第二列的测量指令，然后是第三列，以此类推......直到只剩下一列。c）玻色采样是基于让光子通过线性光学电路散射。尽管a和b部分是通用量子计算的方案，但玻色采样在解决某些类型的问题时是有用的。

CNOT（control-NOT）和CPhase（control phase）门都已经用散装光学元件进行了演示。由于这些设置需要长期的稳定性和可扩展性，通过所需的散装元件的数量而受到限制，扩大基于线性光学门的方法的途径是集成。使用集成波导的电路，光学元件可以在一个小尺寸上实现，这就提供了长期的稳定性，这在这种类型的实验中是至关重要的。

目前，有各种平台和技术来实现集成光路，例如，在二氧化硅中的飞秒写入、硅基绝缘体、硅基方法（硅基绝缘体（Si）和氮化硅）、铌酸锂和砷化镓......。两种集成的量子门都已经使用不同的自由度，如路径或偏振进行了演示。在此，CPhase和CNOT门已被证明是更复杂的量子电路或量子算法的基本构件，所需的单量子比特门在路径编码中使用移相器、在偏振编码中使用波板或元素旋转偏振实现；另外，有可能将一种编码转换为另一种编码，从而使两种方法都能灵活使用。

线性光量子门也有利于利用线性光系统实现量子算法。在这里，著名的量子算法的原理证明已经被执行：例如，Grover的算法和Shor的算法。最近，解决线性方程组的算法的实现已经被证明，一些机器学习任务的原则性证明已经被展示。在这些大多数实验中，光子被用作测试平台，用几个量子比特来证明每个算法的基本功能。

量子计算的另一种方法是基于测量的模型，特别是单向量子计算。首先，一个高度纠缠的状态（集群状态，cluster state）被生成，然后，通过单量子比特测量和前馈来实现计算。在光子系统的背景下，纠缠态是通过对单光子应用CPhase门来产生的；当使用纠缠光子源时，预纠缠态可以被串联成更大的纠缠态，同样是通过应用纠缠门。

为了进行单向量子计算，集群状态的光子必须以特定的顺序和基础被测量。根据测量结果，采用前馈操作：也就是说，后续的测量角度取决于之前的测量结果。双量子比特门是通过使用群集态的纠缠来实现的，由于大多数光子群集态都是利用偏振自由度来证明的，所以测量相当于利用波板和偏振分光镜进行对某一偏振的投射。

单向量子计算机也是盲量子计算（BQC）的基础：BQC的目的是在网络中实现安全的委托量子计算。在这里，一个没有量子计算能力的客户将计算委托给一个量子服务器，从而使输入、输出以及计算本身保持秘密。其背后的想法是执行单向量子计算，但对编码状态进行编码的测量。客户端在一个只有客户自己知道的随机状态下准备好量子比特，并对每个测量指令进行编码。量子比特和测量设置都被发送到一个量子服务器；在那里，一个编码的集群状态从编码的量子比特产生，对这个集群状态的编码测量执行一个编码的量子计算。输出结果被送回给客户，客户可以对结果进行解码。

光子系统很适合用于BQC，因为它们允许在一个物理系统内进行信息处理和传输量子信息，这意味着光子不仅可以作为载体将量子信息从客户端发送到服务器，还可以在网络的一个节点内进行信息处理。最初的BQC协议及其变体已经在由少数光子组成的系统中得到证明。

用光子系统进行信息处理的另一种方法是玻色采样。这个想法是采取玻色子（在我们的例子中是光子），让它们通过一个由分光器和移相器组成的无源线性光学电路，然后从电路的输出分布中采样。事实证明，这项任务与矩阵的永久值(permanent)的评估有关：使用经典计算机是一个很难的问题。然而，光子系统通过利用分束器上两个玻色子的量子干扰自然地解决了这个任务。

玻色子取样的首次演示使用了少数光子，它也在集成的线性光学电路和光纤网络中显示出来。当使用通过SPDC产生的光子时，光子的发射是不确定的，这意味着准备一个特定的输入状态将需要一个指数级的漫长时间，并将破坏玻色采样的计算优势。然而，已经证明散射玻色取样，即用k个预示的SPS（k>n）作为干涉仪的输入，可以恢复原来的优势。

按照这种方法，使用光子系统的量子计算优势已被证明：在已有实验中，已经检测到多达76个光子的重合，并且实现了100个模式的干涉仪。具有挤压态的集成片上方法也已被证明。光的挤压态是指在测量不确定度中被“挤压”的非交换观察变量之一。

不仅如此，玻色取样已被证明在量子模拟中很有用，使用光的挤压状态，可以生成分子振子光谱(molecular vibronic spectra)。

将光子量子技术扩展到更大的系统需要整合信息处理的来源和元素。

在光子源方面，一个重要的发展是基于QD的光子源，具有高的生成率和近乎单一的不可辨性：这使得这些光源接近于满足线性光学量子计算应用的要求。到目前为止，这些实验是使用单个QD源进行的，在主要是散装光学实验中，将连续的单光子路由到不同的光路。开发具有明确光谱的确定性放置的固态源，可以很容易地重叠以展示独立点之间的高能见度干扰，这对可扩展性至关重要。

集成光子源的另一种方法是通过利用硅的固有非线性来使用硅光子学。色散工程的硅波导现在正在产生高光谱-时间纯度的预示性单光子，适合在芯片上建立高保真的线性量子门。这里的挑战是如何在片上建立低损耗的时间延迟和快速开关，将成功预示的光子栅极化。

一旦有了理想的高效单光子片上生成器，用光子进行量子计算的发展所面临的最大问题将是纠缠门的非确定性，这实质上带来了另一个降低吞吐量的效率因素。理论上可扩展的量子计算方案设想了灵活的集群态计算模式的概念，其中预示的单光子被组装成三光子Greenberger-Horne-Zeilinger态，然后合并成复杂的三维集群态，发展融合门的成功率高于渗流阈值。

当门和纠缠的产生成为确定性的时候，这种扩展的开销就可以减少。这可以在SPS中实现，其中发射（或散射）的单光子与发射器的基态自旋密不可分地相。这样的方案已经开始在实验室中用金刚石中的捕获离子和NV色心实现。然而，这需要进一步发展高效率的SPS，其中发射的光子与源中的局部量子比特（或量子比特集群）纠缠，从而使分布式量子计算机得以发展。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s42254-023-00583-2

[2]https://www.icvtank.com/newsinfo/834714.html

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