光子芯片上预示着的三光子纠缠演示

预示着 3-GHZ 状态的发电方案。图片来源：Hui Wang。

光子量子计算机是利用量子物理学并利用光粒子（即光子）作为信息处理单位的计算工具。这些计算机最终可以在速度方面超越传统的量子计算机，同时还可以在更远的距离上传输信息。

尽管有希望，但光子量子计算机尚未达到预期的结果，部分原因是单个光子之间固有的弱相互作用。在发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，中国科学技术大学的研究人员展示了一种可以促进光子系统中量子计算的大团簇态，即三光子纠缠。

“光子量子计算因其在室温下的操作优势和最小的退相干而具有前景，”该论文的合著者Hui Wang告诉 Phys.org。

“然而，固有的挑战在于单光子之间的弱相互作用，阻碍了确定性双量子比特门的实现，而确定性双量子比特门对于可扩展性至关重要。为了解决这个问题，在过去的二十年里，我们的领域出现了聚变和渗流的概念。

过去的研究表明，聚变和渗流可能是在光子系统中实现量子计算的可扩展方法，而无需确定性的纠缠门，例如超导量子比特和捕获离子所需的门。作为他们研究的一部分，Wang和他的同事们采用了一种策略，该策略需要将小型资源状态（例如他们演示的3-GHZ状态）融合成适合实现基于测量的量子计算的大规模集群状态。

“渗流定理表明，如果聚变栅极的成功概率超过特定阈值，则成功是可以实现的，”Wang说。

“在这个框架中，初始阶段涉及生成必要的资源状态，最小的基本状态是三光子Greenberger-Horne-Zeilinger（3-GHZ）状态。确定性 3-GHZ 状态生成存在两种主要方法：（i） 利用量子点等单光子发射器，尽管在理论上是确定性的，但在当前技术下面临效率限制;（ii）以一种预示的方式近乎确定地生成纠缠簇，能够在不干扰目标状态的情况下即时验证成功。

我们实验中使用的有源光开关。图片来源：Hui Wang。

在生成3-GHZ状态的两种方法中，以预示的方式生成纠缠簇的近乎确定性的方法目前似乎是最有希望的。采用这种方法，研究人员能够从光子芯片中的单光子源达到这种状态。

他们的工作是实现容错光子量子计算道路上的一个重要里程碑。具体来说，他们的努力可以加速大规模光量子计算机的发展，这些计算机依赖于3-GHZ状态来处理量子信息。

“我们的实验装置需要六个单光子注入到10模无源干涉仪中，”Wang解释说。

“我们的实现利用InAs/GaAs量子点作为单光子源。请注意，这是所有物理系统中最先进的单光子源。来自Quix的可编程干涉仪的总体效率为50%。通过应用特定的酉变换，端口 1-6 之间的输出状态表现为双轨编码的预示 3-GHZ 状态，具体取决于在两个端口和其中一个端口中检测到单光子。

第一个预言单光子的报道可以追溯到 1986 年，而第一个预言纠缠光子对是在 2010 年实现的。Wang和他的合作者最近的工作建立在这些先前的进展之上，展示了一个大型集群状态，它可以在利用光子芯片实现容错、基于测量的量子计算方面发挥关键作用。

值得注意的是，这篇论文与其他团队的两项相关研究同时发表，分别发表在《物理评论快报》和《自然光子学》上，这些研究收集了其他令人印象深刻的结果。总的来说，这些发展表明，我们正朝着有效实现容错光子量子计算机的方向迈进。

“在可预见的未来，使用八个单光子实现超过渗流阈值的聚变栅的演示是可以实现的，”Wang补充道。

“基于本研究中提出的3-GHZ状态的成功，多个3-GHZ资源状态可以合并形成更广泛的纠缠状态。此外，在集成量子光学平台上进行大规模纠缠态生成的探索正在进行中。

更多信息：Si Chen 等人，来自光子芯片上单光子源的预示三光子纠缠，Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.130603.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2307.02189

期刊信息： Nature Photonics ， Physical Review Letters ， arXiv