糾纏對(duì)于量子位和連續(xù)變量區(qū)域中的許多量子信息協(xié)議是必不可少的

量子信息協(xié)議基于各種糾纏模式，如Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)，Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)和其他集群國(guó)家。對(duì)于按需準(zhǔn)備，這些狀態(tài)可以用光學(xué)中的壓縮光源來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這樣的實(shí)驗(yàn)缺乏通用性，因?yàn)樗鼈冃枰鞣N光學(xué)電路來(lái)單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)不同的纏結(jié)狀態(tài)。在最近的一項(xiàng)研究中，日本應(yīng)用物理與工程跨學(xué)科的Shuntaro Takeda及其同事通過(guò)開發(fā)按需糾纏合成器解決了這個(gè)缺點(diǎn)。使用實(shí)驗(yàn)裝置，物理學(xué)家可以通過(guò)單個(gè)壓縮光源可編程地產(chǎn)生糾纏態(tài)。

在工作中，他們使用基于環(huán)路的電路動(dòng)態(tài)控制在納秒時(shí)間尺度來(lái)處理時(shí)域中的光脈沖?？茖W(xué)家們?cè)谝淮卧O(shè)置中生成并驗(yàn)證了五種不同的小尺度糾纏態(tài)和一個(gè)包含1000多種模式的大型集群，而無(wú)需改變光路。由Takeda等人開發(fā)的電路?？梢源鎯?chǔ)和釋放所生成的糾纏態(tài)的一部分以用作量子存儲(chǔ)器。發(fā)表在Science Advances上的實(shí)驗(yàn)報(bào)告將開辟一種使用可擴(kuò)展量子處理器按需構(gòu)建通用糾纏合成器的新方法。

糾纏對(duì)于量子位和連續(xù)變量(CV)區(qū)域中的許多量子信息協(xié)議是必不可少的，其中它們執(zhí)行各種應(yīng)用。例如，雙模式Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)狀態(tài)是最常用的最大糾纏態(tài)，作為兩方量子通信的構(gòu)建塊和基于量子隱形傳態(tài)的量子邏輯門。該狀態(tài)的廣義版本是建立量子網(wǎng)絡(luò)的n模式Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)狀態(tài)，其中GHZ量子態(tài)可以在n個(gè)參與者之間共享。例如，n個(gè)參與者可以彼此通信以進(jìn)行量子秘密共享。對(duì)于另一方面，量子計(jì)算被稱為簇狀態(tài)的特殊類型的糾纏作為允許單向量子計(jì)算的通用資源已經(jīng)引起了很多關(guān)注。

目前用于確定性地制備光子糾纏態(tài)的最方便和最成熟的方法涉及使用分束器網(wǎng)絡(luò)混合壓縮光以在連續(xù)變量(CV)方案中產(chǎn)生糾纏。物理學(xué)家最近通過(guò)擠壓在時(shí)域或頻域中復(fù)用的光源來(lái)證明大規(guī)模糾纏態(tài)。該方法不是通用的，因?yàn)樗鼈儽仨氃O(shè)計(jì)各種光學(xué)裝置以產(chǎn)生特定的纏結(jié)狀態(tài)。物理學(xué)家先前已經(jīng)報(bào)道了使用后處理測(cè)量或通過(guò)后處理測(cè)量的多模量子態(tài)中幾種類型的糾纏的可編程表征改變測(cè)量的基礎(chǔ)。因此，在單個(gè)框架內(nèi)以可編程的，確定的方式直接合成各種糾纏狀態(tài)仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

在本實(shí)驗(yàn)中實(shí)際生成和驗(yàn)證的糾纏類型。橙色球體代表量子模式。連接兩種模式的藍(lán)色箭頭表示連接的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)使用糾纏來(lái)彼此通信。連接兩種模式的布朗鏈接意味著在這些模式之間應(yīng)用用于生成簇狀態(tài)的糾纏門。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

在目前的工作中，Takeda等人。提出了一種按需光子合成器，可編程產(chǎn)生一組重要的糾纏態(tài)，以解決現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，包括 -

時(shí)域中處理光脈沖。使用該電路，科學(xué)家們驗(yàn)證了各種糾纏態(tài)的可編程生成。該設(shè)置還可以存儲(chǔ)和釋放所生成的糾纏狀態(tài)的一部分以用作量子存儲(chǔ)器。這種新方法為光子量子信息可加工性提供了一條有前途的途徑，其中包括可擴(kuò)展性和可編程性。

按需糾纏合成器的示意圖。(A)概念示意圖。(B)改變系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)間順序。(C)等效電路。(D)實(shí)驗(yàn)裝置。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱材料和方 “H”和“V”分別表示水平和垂直極化。OPO，光參量振蕩器; PBS，偏振分束器; QWP，四分之一波片; EOM，電光調(diào)制器; LO，本地振蕩器。(E)分束器透射率T(t)的實(shí)際控制。繪制測(cè)量(藍(lán)線)和理想(黑點(diǎn)線)響應(yīng)。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

當(dāng)形成糾纏合成器的概念時(shí)，科學(xué)家們使用單個(gè)壓縮器在研究中依次產(chǎn)生壓縮光脈沖。他們將脈沖注入環(huán)路，其往返時(shí)間(τ)等于脈沖之間的時(shí)間間隔。該環(huán)路包括具有可變透射率 T(t)的分束器和具有可變相移θ(t)的移相器 - 其中t表示時(shí)間。在通過(guò)環(huán)路傳輸后，科學(xué)家們使用可調(diào)測(cè)量基準(zhǔn)將脈沖指向零差檢測(cè)器。該電路可以從壓縮脈沖合成各種糾纏態(tài)，用于后續(xù)分析。

為了證明可編程糾纏的產(chǎn)生，科學(xué)家們首先對(duì)合成器進(jìn)行了編程，以產(chǎn)生五種不同的小規(guī)模糾纏態(tài)。這些包括(1)EPR狀態(tài)，(2)三模式GHZ，(3)雙模式簇狀態(tài)，以及(4)一對(duì)三模式簇狀態(tài)。為了驗(yàn)證糾纏狀態(tài)，科學(xué)家將時(shí)間模式函數(shù)應(yīng)用于零差信號(hào)(波函數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào))并提取寬帶光脈沖的正交以評(píng)估不同脈沖之間的相關(guān)性。

他們使用與有效擠壓水平直接相關(guān)的不可分離性參數(shù)來(lái)量化相關(guān)強(qiáng)度。科學(xué)家能夠獲得結(jié)果，其中值滿足研究中得出的不可分性標(biāo)準(zhǔn)，以證明可編程生成五種不同的糾纏態(tài)。他們使用壓縮光產(chǎn)生期間的累積損耗，環(huán)路中和測(cè)量期間的糾纏合成來(lái)解釋這些值。

生成一維簇狀態(tài)。(A)示意圖。(B)前15種模式的單次測(cè)量。測(cè)量奇數(shù)(偶數(shù))模式的x ^ k(p ^ k)并繪制為紅色正方形(藍(lán)色圓圈)。(C)p ^ k(藍(lán)色圓圈)和x ^ k-1 + x ^ k + 1(紅色菱形)之間的比較。(D)對(duì)于(i)真空狀態(tài)(作為參考;黑點(diǎn))和(ii)簇狀態(tài)(藍(lán)點(diǎn))的無(wú)效值<δ^ k2>的測(cè)量方差。每個(gè)方差的SE約為0.01，始終低于0.03。黃色陰影區(qū)域代表不可分割的區(qū)域。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

然而，由于驅(qū)動(dòng)電路的電光(EOM)調(diào)制器的設(shè)計(jì)限制，實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法合成超過(guò)三模式的GHZ和簇狀態(tài)。因此，科學(xué)家們的目標(biāo)是開發(fā)更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路或構(gòu)建級(jí)聯(lián)的多個(gè)EOM，以增加可選擇的透射率值的數(shù)量，并在下一步產(chǎn)生各種GHZ和簇狀態(tài)。

糾纏合成器還可以產(chǎn)生大規(guī)模糾纏態(tài)以實(shí)現(xiàn)高可擴(kuò)展性; 以一維簇狀態(tài)顯示。由科學(xué)家開發(fā)的電路等同于先前提出的簇狀態(tài)生成，并且此后由Yokoyama等人證明。在目前的工作中，科學(xué)家們?yōu)槌^(guò)1000種糾纏模式產(chǎn)生了一維聚類狀態(tài)。由于技術(shù)限制，科學(xué)家們只能在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量1008種模式。然而，原則上，該方法對(duì)可以生成的糾纏模式的數(shù)量沒有理論限制。

與Yokoyama等人的先前方案相比，科學(xué)家無(wú)法直接比較這些聚類狀態(tài)的質(zhì)量。因?yàn)楸景l(fā)明的基于環(huán)路的方案易受由于實(shí)驗(yàn)裝置中的附加光學(xué)元件引起的損耗的影響。環(huán)路中基于分量的損耗包括可變分束器和移相器，當(dāng)光脈沖重復(fù)循環(huán)設(shè)置時(shí)，這導(dǎo)致?lián)p耗累積。

武田等人。通過(guò)將光脈沖限制在可編程環(huán)路中，也形成了量子存儲(chǔ)器。盡管將可調(diào)延遲添加到非經(jīng)典CV狀態(tài)的能力可能在各種量子協(xié)議中的時(shí)間同步中起關(guān)鍵作用，但物理學(xué)家迄今為止僅針對(duì)糾纏連續(xù)變量(CV)狀態(tài)進(jìn)行了一些量子記憶實(shí)驗(yàn)。

在循環(huán)中存儲(chǔ)EPR狀態(tài)的一部分。(A)控制順序。(B)測(cè)量的不可分性參數(shù)<[Δ(x1-x2)] 2> + <[Δ(p1 + p2)] 2>對(duì)于每個(gè)延遲nτ繪制SE(τ= 66 ns，n = 1,2，... ，11)。黃色陰影區(qū)域代表不可分割的區(qū)域。圖片來(lái)源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

雖然基于環(huán)路的量子存儲(chǔ)器是一種簡(jiǎn)單且通用的存儲(chǔ)器，其不限制光的波長(zhǎng)或量子狀態(tài)，但它之前僅針對(duì)單光子顯示。武田等人。通過(guò)在循環(huán)中生成EPR狀態(tài)并為n循環(huán)存儲(chǔ)EPR狀態(tài)的一部分然后最終釋放它來(lái)演示當(dāng)前工作中的功能。科學(xué)家可以通過(guò)增加環(huán)路或反饋系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性來(lái)穩(wěn)定量子態(tài)，從而延長(zhǎng)設(shè)置中量子記憶的壽命。他們能夠?qū)⑷魏蜟V量子態(tài)存儲(chǔ)在基于環(huán)路的存儲(chǔ)器中，并且還通過(guò)將壓縮器改變?yōu)槠渌孔庸庠磥?lái)包括非高斯?fàn)顟B(tài)。

通過(guò)這種方式，Takeda等人?？删幊痰厣刹Ⅱ?yàn)證小規(guī)模和大規(guī)模糾纏態(tài)，并動(dòng)態(tài)控制分束器的透射率，基于環(huán)路的光學(xué)電路的相移和測(cè)量基準(zhǔn)，納秒級(jí)時(shí)間尺度。他們通過(guò)在循環(huán)中存儲(chǔ)部分EPR狀態(tài)來(lái)演示電路的量子存儲(chǔ)容量。該系統(tǒng)具有可編程性和高度可擴(kuò)展性，為未來(lái)的光子量子技術(shù)提供了獨(dú)特的多功能工具。

武田等人。設(shè)想將該環(huán)路電路嵌入更大的環(huán)路中以實(shí)現(xiàn)嵌套的任意分束器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)組合輸入壓縮脈沖以合成任意簇狀態(tài)。他們還預(yù)見到通過(guò)包括基于零差檢測(cè)器信號(hào)和非高斯光源的可編程位移算子，將該電路擴(kuò)展到通用量子計(jì)算機(jī)。新網(wǎng)絡(luò)將成為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，并激發(fā)光子量子信息處理的額外理論和實(shí)驗(yàn)研究。