光子芯片上三光子纠缠的演示

光子量子计算机是利用量子物理学并利用光粒子(即光子)作为信息处理单元的计算工具。这些计算机最终可能在速度方面超越传统的量子计算机，同时还可以在更远的距离上传输信息。

尽管做出了承诺，光子量子计算机尚未达到预期的结果，部分原因是单个光子之间固有的微弱相互作用。在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，中国科学技术大学的研究人员展示了一种可以促进光子系统中量子计算的大团簇态，即三光子纠缠。

该论文的合著者HuiWang告诉Phys.org：“光子量子计算因其在室温下的操作优势和最小的退相干性而前景广阔。”

“然而，固有的挑战在于单光子之间的弱相互作用，阻碍了可扩展性所必需的确定性双量子位门的实现。为了解决这个问题，过去二十年在我们的领域出现了融合和渗透的概念。”

过去的研究表明，聚变和渗滤可以成为在光子系统中实现量子计算的可扩展方法，而无需确定性纠缠门，例如超导量子位和捕获离子所需的纠缠门。作为研究的一部分，Wang和他的同事采用了一种策略，该策略需要将小型资源状态(例如他们演示的3-GHZ状态)融合为适合实现基于测量的量子计算的大规模集群状态。

王说：“渗透定理表明，如果融合门的成功概率超过特定阈值，则可以实现成功。”

“在此框架中，初始阶段涉及生成必要的资源状态，最小的基本状态是三光子Greenberger-Horne-Zeilinger(3-GHZ)状态。确定性3-GHZ状态生成有两种主要方法：(i)利用像量子点这样的单光子发射器，虽然理论上是确定性的，但当前技术面临着效率限制;(ii)以一种预示的方式近乎确定性地生成纠缠簇，从而能够在不扰乱目标状态的情况下立即验证成功。”

在生成3-GHZ状态的两种方法中，以所预示的方式近乎确定性地生成纠缠簇目前看来是最有前途的。采用这种方法，研究人员能够从光子芯片中的单光子源达到这种状态。

他们的工作是实现容错光子量子计算道路上的一个重要里程碑。具体来说，他们的努力可以加速依赖3-GHZ状态处理量子信息的大型光学量子计算机的开发。

“我们的实验装置需要将6个单光子注入10模无源干涉仪，”Wang解释道。

“我们的实现利用InAs/GaAs量子点作为单光子源。值得注意的是，这是所有物理系统中最先进的单光子源。来自Quix的可编程干涉仪显示出整体效率通过应用特定的单一变换，端口1-6上的最终输出状态表现为双轨编码预示的3-GHZ状态，具体取决于两个端口中以及其中一个端口中对单光子的检测。港口。”

关于单光子的第一份报告可以追溯到1986年，而第一个纠缠光子对则于2010年实现。王和他的合作者最近的工作建立在这些先前进展的基础上，展示了一个大型簇态，它可以在利用光子芯片实现容错、基于测量的量子计算方面发挥关键作用。

值得注意的是，这篇论文与其他团队的两项相关研究几乎同时发表，分别发表在《物理评论快报》和《自然光子学》上，这些研究还收集了其他令人印象深刻的结果。总的来说，这些进展表明我们距离有效实现容错光子量子计算机又近了一步。

“在可预见的未来，使用八个单光子实现超越渗透阈值的聚变门的演示是可以实现的，”王补充道。

“基于本研究中提出的3-GHZ态的成功，多个3-GHZ资源态可以合并形成更广泛的纠缠态。此外，在集成量子光学平台上探索大规模纠缠态生成进展中。”