上海交大金贤敏团队受邀在Nature Photonics发表新闻观点：集成光量子芯片创新推动量子计算与量子模拟
FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，上海交通大学金贤敏教授团队受邀在国际光学权威期刊《自然∙光子学》（Nature Photonics）发表新闻观点（News & Views）"Birefringence aids photonic lattice simulations"[Nature Photonics 16, 178-179 (2022)]，针对同期发表的德国Rostock大学A.Szameit教授团队研究工作[Nature Photonics 16, 191-195 (2022)]以及集成光量子芯片前沿领域进行综合性介绍与点评。
金贤敏教授团队受邀在Nature Photonics上发表News & Views
News & Views是许多学际学术期刊设立的一项栏目，是对于期刊发表的工作，编辑邀请该工作领域比较权威的研究学者，写一些相对通俗的介绍，方便更广大的读者加深对该工作以及相关领域的理解。
金贤敏团队在News & Views中指出，集成光量子芯片具有精准构建各种哈密顿量的丰富实验能力，是专用量子计算及量子模拟的理想平台。
光子在集成光量子芯片的光波导阵列中传输，可以由如下哈密顿量描述：
通过调控光沿自身波导的传输特征，可以对传输常数 进行调制；通过改变光波导之间的几何上的相互关系，可灵活操控波导间的耦合系数 。因此，我们将哈密顿量信息融进了光量子芯片横截面上可看出的波导排兵布阵，同时运用光波导的纵向演化维度代表演化时间。由于量子模拟的核心步骤就是创建一个哈密顿量映射出待研究目标物理体系的哈密顿量，因此光波导阵列通过调控波导参数灵活构建哈密顿量的能力，对于量子模拟非常有意义。
值得一提的是，非完美的对称性和制造上的误差意味着光子晶格会表现出不可忽略的双折射效应，为水平或垂直偏振光引入两套略有不同的波导参数。因此，通常在实验中采用固定的光偏振来消除这种双折射效应。
另外，对于传输常数 ，它通常是实数，但复数折射率也会为 带来虚数部分，为系统引入非厄密损失。设计精细的非厄密哈密顿量满足PT对称的条件，常见的PT对称晶格具有对称的增益谱和非对称的损耗谱，分别由 的实部和虚部表示。在以往实验中，这种PT对称的非厄密损耗可以通过在光子晶格中交替引入两种不同的损耗来实现，例如，在损耗非常小的直波导旁，布置拥有更高损耗的垂直弯曲波导。在光子晶格中创建PT对称的非厄密哈密顿量的能力极大地拓宽了量子力学研究的范围，使得探索诸如异常点，非正交特征模态和损失诱导的透明度等有趣的物理问题成为可能。
因此，通过操纵波导参数，甚至虚部，可以构造各种哈密顿量，为单光子定义量子演化规则。与此同时，灵活构建的哈密顿量结合多光子的演化，则可以带来更深入的量子物理研究。单光子演化可以用经典的相干激光束模拟，而多光子演化中则存在没有任何经典体系可以模拟的量子效应，例如Hong-Ou-Mandel（HOM）实验展示了两个无法区分的光子发生的光子聚集效应，是量子光学中特有的现象。即当两个玻色子或两个费米子之间的时间差减少到接近零时，它们变得难以区分，并分别显示出聚束和反聚束效应。
有趣的是，本质上是玻色子的光子，可以通过操纵以显示费米子的反聚束效应。在集成光子学中已经有过一些玻色子和费米子统计的实验演示，将纠缠光子对设置为 ，其中相位 会影响粒子类型。当相位为零时，光子显示玻色子聚束效应，当它转向π时，光子显示出费米子统计性质。
现在，Szameit团队在Nature Photonics上发表的工作综合运用了上述许多研究点，使光波导阵列成为量子光学中更强大的工具。他们没有试图避免光波导阵列的双折射效应，而是巧妙地利用双折射。水平（H）和垂直（V）极化光引入了两组独立的 和 。此外，他们没有采用以往常用构建PT对称非厄密损耗的方法，而是运用一系列附加波导实现耦合到环境的损失，为传输常数 创建了虚部，并且由于水平和垂直极化光引入两种不同的损耗率 和 ，带来的 虚部也不相同。从而可以通过光的极化来操纵非厄密特性。
当这样的哈密顿矩阵遇到双光子实验时会发生什么？对于这个与极化相关并且包含虚部的哈密顿量，最初处在对角基（D）和反对角基(A) ， 的光子对，它们的演化函数将包含变量 ， ，以及从H / V基的旋转角度 。因此，用于记录光子相关性的HOM迹可见度可以通过 ， 和 的函数来确定。实验中，通过旋转输出端的半波板来调制 ，光子对展示出随着 的增加从反聚束到聚束的过渡。区别于以往改变纠缠光子对 中的相位 来改变统计特性的方式，在这项工作中，由于精巧的双折射非厄密设置，在不改变输入光子的情况下，只需选择不同的观察基就可以诱导和观察不同的量子干涉行为。
在双折射非厄密波导中，不改变输入光子，只需选择不同的观察基就可以观察反聚束和聚束的不同量子干涉行为
Szameit团队的这项工作展综合运用双折射，非厄密损耗和双光子干涉等实验工具，这种组合创新得益于光量子系统实验操控手段的丰富性，是当前集成光量子芯片前沿实验的一个有益的创新方式。例如，近年一些高端科技成果包括：通过结合非厄密损耗和双光子干涉来探索PT对称晶格中的量子特征，通过将二维晶格与双折射操作相结合实现三维量子行走，以及通过结合双光子和大规模二维演化空间实现复杂的量子行走。
金贤敏教授团队在News&Views中总结指出，集成光量子芯片是量子模拟和量子信息处理的强大工具。基于光子芯片的可扩展量子模拟器，目前已经实现了许多有趣现象的模拟，例如分形结构中的量子传输和量子态的拓扑保护等。集成光子芯片不止具有更高的集成度，而且它的精细调控能力可以使其做到很多分立光学器件无法完成的任务，例如，Szameit团队的这项工作在双折射方向上对波导参数进行精细调整。此外，集成光子芯片具备更高的可扩展性和可重复操作的性能稳健性。这些优势使得光量子信息处理的工具箱得到极大的丰富和加强，从而大大提高了量子信息处理的性能，并可能最终导致在行业中的实际应用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-022-00968-2
--图灵量子
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