復雜介質(zhì)中高維量子光路的逆向設計

蘇格蘭愛丁堡赫瑞瓦特大學（Heriot-Watt University）的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種強大的新方法，可以對光路進行編程，這對未來技術的實現(xiàn)至關重要，例如不可破解的通信網(wǎng)絡和超快量子計算機。

實驗物理學家、赫瑞瓦特工程與物理科學學院物理學教授 Mehul Malik 教授解釋說：光可以攜帶大量信息，用光而不是用電進行計算的光路被視為計算技術的下一個重大飛躍。但是，隨著光路變得越來越大、越來越復雜，它們也越來越難以控制和制造--這會影響它們的性能。我們的研究利用自然界中自然存在的一種工藝展示了一種替代的、更靈活的工程光路方法。

Malik教授和他的團隊利用全球廣泛使用的商用光纖開展研究，將互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿覀兊募彝ズ推髽I(yè)。這些光纖比頭發(fā)絲還細，利用光來傳輸數(shù)據(jù)。通過利用光在光纖內(nèi)的自然散射行為，他們發(fā)現(xiàn)可以在光纖內(nèi)以高度精確的方式對光回路進行編程。這項研究發(fā)表在《Nature Physics》上。

圖 1：可編程光路設計。a-c，一般線性變換可通過傳統(tǒng)的自下而上方法（a）或建議的 "自上而下 "方法（b）實現(xiàn)，傳統(tǒng)的自下而上方法是由分束器（BS）和移相器（P）組成的單元構建光路，而建議的 "自上而下 "方法則是將 d 維目標線性光路嵌入到 n > d 維的大型環(huán)境模式混合器中，其中 n - d 個輔助模式作為額外資源。這種技術利用隨機單元 Uj（如復雜的散射系統(tǒng)）穿插在通過 SLM 實現(xiàn)的可控相位平面 Pj 中，為目標光路提供了可編程性。c, 使用多平面光轉(zhuǎn)換器的類似方法，其中隨機單元被自由空間傳播 F 所取代。資料來源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

Malik教授解釋道：當光進入光纖時，會以復雜的方式發(fā)生散射和混合，通過學習這個復雜的過程，并精確地塑造進入光纖的光，我們找到了一種方法，可以在這種無序狀態(tài)下為光精心設計一個光路。

圖 2：實驗裝置。a, 通過ppKTP晶體中的II型SPDC產(chǎn)生高維空間糾纏雙光子態(tài)。兩個光子通過偏振分束器（PBS）進行空間分離，并發(fā)送給雙方，即 Alice 和 Bob。Alice執(zhí)行單結(jié)果投影測量[數(shù)學處理錯誤]。測量光子是否攜帶模態(tài)基礎 μ 的空間模態(tài) a。這些測量由 SLM（SLM3）、SMF 和單光子雪崩光電二極管（APD）組合完成。Bob 實現(xiàn)了一個自上而下的可編程光路，該光路由放置在兩個可編程 SLM（SLM1、2）之間的 MMF 構成。該光路用于對各種高維量子門進行編程，是一種通用的多結(jié)果器件。圓形插圖顯示的是一幅同步圖像，描繪了在Bob處使用傅立葉門[數(shù)學處理錯誤]進行的基于 μ = 1 的五結(jié)果測量。該圖像是通過掃描電路輸出端的檢測器獲得的，以Alice的[數(shù)學處理錯誤]測量結(jié)果為條件，由于空間模式相關性很強，在模式 0 中顯示了很大的強度。b, 電荷耦合器件圖像，展示了傅立葉門[數(shù)學處理錯誤]作為經(jīng)典宏像素模式的多結(jié)果測量的運行情況，該模式是在維數(shù) d = {2，3，5}中以 μ = 1 為基礎制備的。請注意，雖然輸入模式在給定的 d 下具有相同的振幅，但它們在相位上是正交的（在強度圖像中看不到）。L，透鏡；F，濾波器；HWP，半波片。資料來源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

光路對于未來量子技術的發(fā)展至關重要--量子技術是通過單個原子或光子（光粒子）在微觀層面上實現(xiàn)的。這些技術包括具有巨大處理能力的強大量子計算機和無法被黑客攻擊的量子通信網(wǎng)絡。

Malik教授繼續(xù)解釋說：例如，量子通信網(wǎng)絡的末端需要光路，這樣就可以在信息經(jīng)過長距離傳輸后對其進行測量。它們也是量子計算機的關鍵部分，用于用光粒子進行復雜的計算。量子計算機有望在藥物開發(fā)、氣候預測和太空探索等領域取得重大進展。機器學習、人工智能是光路用于快速處理大量數(shù)據(jù)的另一個領域。

Malik教授說：光的力量在于它的多維性。我們可以在單個光粒子上編碼大量信息。它的空間結(jié)構、時間結(jié)構和顏色，如果你能同時計算所有這些特性，就能釋放出大量的處理能力。

研究人員還展示了他們的可編程光路如何用于操縱量子糾纏。量子糾纏是指兩個或多個量子粒子（如光子）即使相隔遙遠仍能保持連接的現(xiàn)象。糾纏在許多量子技術中發(fā)揮著重要作用，例如糾正量子計算機內(nèi)部的錯誤和實現(xiàn)最安全的量子加密。

圖 3：高維糾纏的操作和認證。資料來源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

Malik教授和他在赫瑞瓦特大學超越二進制量子信息實驗室的研究團隊與來自瑞典隆德大學、意大利羅馬薩皮恩扎大學和荷蘭屯特大學等機構的合作學者共同開展了這項研究。

從左到右--超越二進制量子信息實驗室 (BBQLab) 成員 Saroch Leedumrongwatthanakun 博士、Mehul Malik 教授和博士生 Suraj Goel。資料來源：赫瑞瓦特大學

參考文獻：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。