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物理学家开发出构建光子图态的新协议

发布时间：2026-02-25 13:58:49 阅读数： 30

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一种用于预测虚拟图态的构建方案，采用先发射后加法的方式。量子发射器（红色）被反复激发，直到成功检测到单个光子（橙色）。检测到光子后，执行逻辑运算，将写入发射器的条件相位信息传递给辅助存储自旋（黑色），该自旋编码一个虚拟图态（以虚线边界表示）。

物理学家们早已认识到光子图态在量子信息处理中的价值。然而，由于制备这些图态的难度，其价值在很大程度上未能得到充分发挥。为了推动该领域的发展，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的研究人员提出了一种名为“发射-叠加”的新方案，用于生成可与现有硬件兼容的多光子高度纠缠态。该方案发表于《npj Quantum Information》期刊，为包括基于测量的量子计算在内的各种量子增强操作奠定了基础。

纠缠是实现更快、更安全的计算和信息系统的关键驱动力。然而，构建包含两个以上光子的大型纠缠态极具挑战性，因为光学系统固有的损耗意味着大多数光子源成功产生并能存活到被探测到的光子的概率很低。因此，任何构建大型纠缠态的尝试都会造成光子缺失，从而破坏纠缠态。而识别这些缺失的光子意味着需要尝试探测这些光子，这本身就是一个破坏性的过程，因此无法再用光子填补这些缺失。

为了克服这一挑战，由物理学副教授伊丽莎白·戈德施密特和电气与计算机工程教授埃里克·奇坦巴尔领导的团队开始采取不同的思维方式。

重新思考“足够好”的标准

“我们多年来一直知道这些光子图态具有极高的价值，”戈德施密特说。“但对于这个项目，我们改变了思路，从‘最有用的最终结果是什么？’转变为‘我们能利用现有资源做些什么？’我们花了很长时间才意识到，在如此广泛的应用场景下，对光子进行破坏性测量是可以接受的。”

这种重新审视促使研究人员提出了一种备受瞩目的光子图态构建方案——该方案与最先进的相干量子发射器兼容。关键在于他们称之为“虚拟图态”的范式。通过仅在确认探测到光子后才将其添加到虚拟图中，该过程的主要限制因素从通常较大的光子损耗转移到用于发射光子的自旋量子比特的相干性，而自旋量子比特的相干性可以非常高。

实践中的虚拟图状态

伊利诺伊大学格林杰公司的工程师强调，如果能够实现对光子的非破坏性测量，他们的协议将具有完全的通用性——然而，目前的硬件无法做到这一点。因此，他们提出了一类广泛的协议，这些协议可以使用破坏性测量的光子和虚拟图态成功实现。他们提出了一个用例，该用例可以在现有标准实验设备上实现，以执行基于重复生成小型图态的安全双边计算。

“这几乎有点违反直觉，”论文的共同第一作者、研究生马克斯·戈尔德说。“我们正在构建的这些关联只能用跨越不同光子的量子系统来描述。这些光子在自然界中永远不会同时存在，而且它们的相互作用是由某种并非光子本身的东西来介导的。即使我们把它描述为一个单一状态，但该状态中的所有量子比特并非同时存在。”

潜在应用及后续步骤

如果得以实现，研究人员的方法可以用于基于测量的量子计算、安全的双边计算，甚至量子传感。

“这可以在世界各地的许多实验装置上实现，”论文共同第一作者、研究生林建龙说。“我们的方法即使对于传统上光子收集效率较低的发射器平台，例如囚禁离子和中性原子，在实践中也是可行的。这将是极少数具有实际应用价值的光子图态演示之一。”

接下来，Goldschmidt的实验室正致力于实现他们的方案。Lin将继续专注于实验方面，启动该过程的早期阶段。与此同时，Gold将探索理论方面，利用他们的方法寻找图状态的其他潜在应用。

“我们基于（实际的）硬件创建了一个协议，它至少有一个用途，那就是多方计算，”戈德施密特说。“很多文献都忽略了硬件的限制，我希望这项工作能够鼓励其他人思考，在实际硬件的近期限制下，还能创造出什么。”