迈向实用化：南京大学提出首个实现多光子量子比特态的可行方案

量子光学可以用于实际应用吗？这在很大程度上取决于在保持量子态的同时能否聚集大量光子。近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室的谢臻达教授、龚彦晓教授和祝世宁院士团队提出了一种可行、可扩展的N-光子态(N-photon state)生成方案[1]。

研究人员表示[2]，“这是首个考虑现实光学材料参数，而非理想材料参数条件下实现确定性多光子态产生的理论方案，因而对于未来最终实现大规模光子态制备具有指导意义。”

确定性生成N-光子态

在所有的量子系统中，光子以其弱相互作用而闻名，即使在室温下也能实现较长的相干时间；因此，光子适合量子比特的远距离传输。然而，光子的弱相互作用限制了“多光子量子比特态”，或“N-光子态(N-photon state)”的产生。产生多光子态仍然是量子光学领域的一个基本挑战。

正如Advanced Photonics Nexus杂志所报道，来自南京大学的研究人员提出了首个方案：原则上可以确定地生成N-光子态。该方案在实验上是可行的，考虑到了实际的材料能力，研究团队使用了铌酸锂薄膜（Lithium niobate on insulator，LNOI）平台，提供了一个超强的χ⁽²⁾非线性相互作用。

关键部件：光子数倍增单元

方案中的关键部件是光子数倍增单元（photon-number doubling unit，PDU），它可以在保持光谱不变的情况下将光子数量加倍。

使用PDU生成确定性的N-光子态的方案

在LNOI芯片上实现PDU和N-光子态的案例。(a)PDU布局。(b)使用级联PDU生成N-光子态的片上方案。(c)微环谐振器(microring resonator)中DPDC过程的一个简化模型。

在PDU中，最具挑战性的部分是从单光子到双光子的确定性转换。之前已经有人提出并进行了理论研究，但只是在理想的χ(2)或χ(3)材料假设下。此次，基于实际的材料参数，研究人员为PDU过程提出了第一个实验上可行的方案。

该团队表明，PDU对于不同量子技术应用的N量子比特状态的生成是通用的，作为案例，团队提出了N-光子Fock态、集群态(cluster state)和GHZ态的片上设计。

首个实现大规模多光子态的可行方案

作为第一个考虑到实际材料参数的确定性N-光子态生成的实验可行性方案，这项工作为未来大规模多光子态的实际制备提供了重要指导。论文通讯作者之一、南京大学电子科学与工程学院教授谢臻达说：“大规模多光子态被认为是物理学家在量子光学和量子信息方面的终极目标之一。这项工作提出了第一个实际实现该目标的可行方案。”

“不仅如此，这种基于LNOI的确定性单光子相互作用不仅可以用于光子生成，还可以用于光子操纵，实现量子门、量子存储等，以推动量子计算、量子通信和整个量子信息技术的发展。”

参考链接：

[1]https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics-nexus/volume-2/issue-01/016003/Deterministic-N-photon-state-generation-using-lithium-niobate-on-insulator/10.1117/1.APN.2.1.016003.full?SSO=1

[2] http://slab.nju.edu.cn/newsdetail.aspx?id=292