關(guān)于光量子信息處理的知識

為了更好地理解量子物理、推進(jìn)量子信息處理和創(chuàng)造量子技術(shù)，光子一直是旗艦系統(tǒng)。光子是一種自然移動、低噪聲系統(tǒng)，具有廣泛的量子限制探測功能，利用光子演示了量子糾纏、遠(yuǎn)距傳輸、量子密鑰分發(fā)和早期量子計算機(jī)演示。

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普通計算機(jī)無法解決的數(shù)學(xué)問題有望通過量子計算機(jī)來解決。特別是在密碼學(xué)、安全通信、藥理學(xué)研究、物流等領(lǐng)域，其中許多問題都具有重要的現(xiàn)實意義。

疊加、糾纏和干涉是量子計算機(jī)利用其優(yōu)勢的自然現(xiàn)象的例子。量子比特（qubit）用于處理由特定量子態(tài)表示的信息。量子計算所需的量子比特的物理基礎(chǔ)之一是量子系統(tǒng)，可以使用原子、電子、離子或光子等基于光的技術(shù)來創(chuàng)建。

光子量子位

光子技術(shù)具有許多優(yōu)勢，包括無限的相干時間、室溫下的信息處理、有利于平臺互連的飛行量子比特以及成熟的半導(dǎo)體工業(yè)。

由于沒有質(zhì)量和電荷，光子是一種具有無限相干時間的光粒子，不易受到環(huán)境干擾。在光子中編碼信息是安全傳輸數(shù)據(jù)的有效技術(shù)，因為單光子也可以以各種配置產(chǎn)生。

同時產(chǎn)生大量單光子狀態(tài)的能力是進(jìn)行短期和長期計算活動的必要條件。要做到這一點，顯而易見的方法是擁有大量確定性光源，每個光源都能夠在觸發(fā)事件發(fā)生時同時產(chǎn)生一個且僅有一個光子。

這些光子還需要

有效收集，以進(jìn)入 PQC 處理器，避免因吸收、衍射、散射或模式失配而造成損失。

處于純量子態(tài)且彼此相同

必須能被有效探測，并與探測技術(shù)中使用的低損耗材料兼容。

各種物理系統(tǒng)，包括激光冷卻原子、被困離子、材料中的缺陷、量子點和其他更先進(jìn)的技術(shù)，都被用來創(chuàng)建真正確定的高質(zhì)量光子源。其中一些系統(tǒng)依賴于單個發(fā)射器，這在理論上本質(zhì)上可以實現(xiàn)按需單光子發(fā)射，而另一些系統(tǒng)，如原子集合和參數(shù)非線性過程，則需要預(yù)示信號和切換才能發(fā)揮作用。

產(chǎn)生光子

自發(fā)參數(shù)下變頻（SPDC）是量子光學(xué)實驗的一項重要技術(shù)，它仍然是以非確定方式產(chǎn)生高質(zhì)量單光子的可行方法。這項技術(shù)的發(fā)展成功地解決了上述問題。

雖然 SPDC 是概率性的，但它可以用來產(chǎn)生 "預(yù)示性 "單光子狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，探測到光子的孿生兄弟就表明有一個光子存在。相比之下，SPDC 可以產(chǎn)生在頻率、橫向空間模式或偏振方面內(nèi)在糾纏的光子對。

編碼質(zhì)子

與光子占據(jù)光場中具有一定自由度的兩種模式有關(guān)的概率振幅可用于編碼量子比特。這種方法被稱為雙軌編碼。我們可以用波導(dǎo)來做一個簡單的解釋。

在波導(dǎo)內(nèi)，光子以單一路徑傳播。兩種模式和一個光子可以編碼一個量子比特。使用兩個波導(dǎo)作為模式，每個模式的光單位用來表示一個量子位。光子可以占據(jù)其中一個模式。在任意位置的上波導(dǎo)上的光子可以對應(yīng)于狀態(tài)|0>的量子比特，而在下波導(dǎo)上的光子則對應(yīng)于狀態(tài)|1>的量子比特。

執(zhí)行量子計算

利用這個量子比特平臺，必須進(jìn)行計算。為此，必須開發(fā)一些基本組件和階段，就像每一步都是經(jīng)典計算機(jī)上的一個門一樣。

例如，要初始化量子疊加，即光子 50%的時間位于高波導(dǎo)，50%的時間位于低波導(dǎo)，就需要使用分光鏡。分束器是一種光學(xué)儀器，可接收兩個輸入并提供兩個輸出。單個光子進(jìn)入分束器后，將以 50/50 的概率隨機(jī)遷移到任一模式。此外，還可能需要 30-70% 或 40-60% 等不同的概率；在這種情況下，需要使用包含移相器的更先進(jìn)的分束器。

探測

在量子實驗中，光子的生命始于產(chǎn)生，終于探測。這兩個過程都必須有效，而 PQC 在很大程度上取決于它們的性能和質(zhì)量。

每當(dāng)光子撞擊理想的光子探測器（PD）時，探測器都會發(fā)出 "咔嗒 "聲并迅速恢復(fù)工作。在沒有發(fā)現(xiàn)實際光子的情況下，它不會產(chǎn)生誤導(dǎo)性的正信號。此外，它還能確定在相同時空模式下發(fā)現(xiàn)的光子數(shù)量。

目前還沒有這種完美的光子探測器。因此，現(xiàn)有光子探測器的檢測效率、重置時間、檢測時間抖動、暗計數(shù)率和光子數(shù)分辨能力都在不斷提高。

雖然 PQC 并不絕對需要 "完美 "的光子探測器，但一個現(xiàn)實的、可擴(kuò)展的平臺取決于將光子探測器的性能提高到非常高的水平。

未來展望

現(xiàn)代電光元件（如集成電光調(diào)制器或波克爾斯電池）可實現(xiàn)快速偏振切換，以執(zhí)行要求苛刻的貝爾測試，并可自由選擇封閉或空間模式切換，實現(xiàn)信號源多路復(fù)用。目前還在開發(fā)有效的工具，用于操縱更不尋常的自由度，如頻率-時間或橫向空間模式。這些工具包括將信息從一種自由度轉(zhuǎn)換為另一種自由度的方法，如極化轉(zhuǎn)換為空間橫向模式、離散變量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變量、頻率轉(zhuǎn)換等。

從長遠(yuǎn)來看，前景廣闊。由于專為光子學(xué)（尤其是損耗光子學(xué)）創(chuàng)建的集群狀態(tài)方法的進(jìn)步，開銷和誤差閾值正在降低。隨著大規(guī)模集成平臺、超高質(zhì)量的光源、探測器和門電路的出現(xiàn)，硬件技術(shù)也在不斷進(jìn)步，從而可以制造出具有大量組件的處理器。通過使用波色子采樣等中間任務(wù)，有可能盡早展示真正的量子計算優(yōu)勢。對于一般的遠(yuǎn)程糾纏共享，以及將地理位置不同的處理器連接在一起，光子學(xué)仍然是領(lǐng)先的平臺。

參考資料

Sergei Slussarenko, Geoff J. Pryde; Photonic quantum information processing: A concise review. Appl. Phys. Rev. 1 December 2019; 6 (4): 041303.

T. G.?Tiecke, J. D.?Thompson, N. P.?de Leon, L. R.?Liu, V.?Vuleti?, and M. D.?Lukin, “Nanophotonic quantum phase switch with a single atom,” Nature?508, 241 (2014).