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在光學(xué)領(lǐng)域，光子是量子信息的主要載體，多方糾纏態(tài)是各種量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的核心資源。其中，多維團(tuán)簇態(tài)作為糾纏圖態(tài)的一種子集，在基于測(cè)量的量子計(jì)算中具有特殊的重要性。然而，通過傳統(tǒng)的光學(xué)手段可靠地生成光子量子比特的團(tuán)簇態(tài)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前的方法主要依賴于概率性的光子糾纏預(yù)測(cè)方案，導(dǎo)致生成效率不高，限制了團(tuán)簇態(tài)的應(yīng)用范圍和規(guī)模。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問題，加州理工學(xué)院Oskar Painter教授等人采用了一種新的方法：利用超導(dǎo)電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過單個(gè)量子發(fā)射器確定性地生成高維度的光子團(tuán)簇態(tài)。通過引入延遲量子反饋機(jī)制，利用集成慢光波導(dǎo)，科學(xué)家們成功地實(shí)現(xiàn)了多方糾纏光子態(tài)的生成，最終實(shí)現(xiàn)了微波光子的二維團(tuán)簇態(tài)的生成。這一方法不僅提高了團(tuán)簇態(tài)的生成效率和可控性，還拓展了單個(gè)量子發(fā)射器生成高維度團(tuán)簇態(tài)的可能性，為量子信息處理和量子通信等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能性。相關(guān)成果聯(lián)合發(fā)題為“Deterministic generation of multidimensional photonic cluster states with a single quantum emitter” 在Nature Physics大子刊。

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圖文導(dǎo)讀

為了實(shí)現(xiàn)通過單個(gè)量子發(fā)射器量子比特和時(shí)間延遲反饋生成光子的二維團(tuán)簇態(tài)，研究者在圖1a中研究者展示了通過控制量子發(fā)射器發(fā)射一串最近鄰糾纏光子脈沖進(jìn)入延遲線的一般方案。他們利用可切換鏡子控制光子脈沖的反射，使其重新散射到發(fā)射器上，實(shí)現(xiàn)了量子發(fā)射器與返回的光子量子比特之間的糾纏控制CZ門。在圖1b中，展示了生成的糾纏結(jié)構(gòu)的可視化，強(qiáng)調(diào)了順序發(fā)射光子和時(shí)間延遲散射的作用。圖1c展示了器件的假彩色光學(xué)圖像，其中包括慢光波導(dǎo)和兩個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變量子比特，以及與之耦合的讀出諧振器和控制線。這些部分共同實(shí)現(xiàn)了通過單個(gè)量子發(fā)射器確定性生成二維團(tuán)簇態(tài)的目標(biāo)。這些設(shè)計(jì)的核心思想是利用量子發(fā)射器的穩(wěn)定態(tài)和輻射態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，配合延遲線和可切換鏡子的作用，實(shí)現(xiàn)了光子的順序發(fā)射和時(shí)間延遲反饋，從而合成了二維團(tuán)簇態(tài)。

圖1. 利用單個(gè)量子發(fā)射器量子比特確定性生成二維團(tuán)簇態(tài)

圖2顯示了室溫下聚合機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論分析。在實(shí)驗(yàn)部分（圖2a），首先將雜環(huán)芳基硼酸酯S_n1與TMSOK處理，在無水條件下沒有觀察到脫硼脫除，而是定量地分離出了硼酸酯復(fù)合物（硼酸酯）S_n2。接著，在沒有外源堿的情況下，S_n2和溴苯S_e1進(jìn)行了化學(xué)計(jì)量反應(yīng)，結(jié)果在98%的產(chǎn)率下得到了交叉偶聯(lián)產(chǎn)物S_p1，表明硼酸酯S_n2可以直接發(fā)生金屬化反應(yīng)。

在理論部分（圖2b），通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示了反應(yīng)的機(jī)理。首先，催化劑Pd[P(t-Bu)³]與S_e1形成中間體IM1，隨后IM1經(jīng)過氧化加成生成IM2。在S_n2的協(xié)助下，IM2轉(zhuǎn)化為IM3，形成IM4并消除KBr。團(tuán)隊(duì)還計(jì)算了IM2和硼酸酯Sn1之間的金屬化過程，結(jié)果顯示其能壘較高。隨后，IM4通過能壘較低的過渡態(tài)形成IM5，說明硼酸酯的直接金屬化是一個(gè)容易的過程。最終，IM5的還原消除產(chǎn)生了最終產(chǎn)物S_p1，同時(shí)再生了催化劑。這些實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，通過穩(wěn)定的硼酸酯和硼酸酯的直接金屬化，可以有效地實(shí)現(xiàn)室溫下的Suzuki–Miyaura聚合反應(yīng)，從而制備高質(zhì)量、低缺陷和高分子量的器件級(jí)CPs。

圖2. 通過通量調(diào)制發(fā)射形狀光子脈沖

為了實(shí)現(xiàn)高保真度的量子比特-光子CZ門，研究者在圖3中展示了一個(gè)時(shí)延反饋過程的示意圖。該過程涉及由QE發(fā)射的光子經(jīng)過波導(dǎo)傳播、由QM反射并返回QE的過程。當(dāng)發(fā)射器處于|e?態(tài)時(shí)，返回的光子將與共振的e-f躍遷耦合，并獲得一個(gè)π的散射相位，實(shí)現(xiàn)了CZ門的操作方式。圖3c展示了QM的反射對(duì)發(fā)射光子的影響，證明QM高效地反射了光子。圖3d展示了當(dāng)QE的狀態(tài)從|g?改變?yōu)閨e?時(shí)，反散射光子的復(fù)場(chǎng)的實(shí)部符號(hào)發(fā)生變化，這對(duì)應(yīng)于CZ門實(shí)現(xiàn)所需的狀態(tài)相關(guān)的π差異。這些結(jié)果表明，研究者成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高保真度的量子比特-光子CZ門，并且通過時(shí)延反饋過程對(duì)發(fā)射光子進(jìn)行了有效的控制和操作。

圖3. 通過延遲反饋實(shí)現(xiàn)發(fā)射光子與發(fā)射器量子比特之間的CZ門

在這項(xiàng)研究中，為了展示高效的光子準(zhǔn)備和高保真度的CZ門，研究者成功地生成了一個(gè)四光子的二維簇態(tài)。在圖4中，展示了用于生成簇態(tài)的完整的QE（量子發(fā)射器）控制脈沖序列（見圖4a）。這一控制序列涉及四個(gè)周期的一維簇態(tài)生成基元，并在發(fā)射第四個(gè)光子之前，在光子1和QE之間實(shí)現(xiàn)了CZ門。

此外，在最后一個(gè)πef脈沖之前，還對(duì)QE施加了一個(gè)πg(shù)e來解纏它與光子狀態(tài)。圖4b展示了生成的糾纏態(tài)，其中CZ門導(dǎo)致了光子1與QE之間的糾纏。圖4c展示了單個(gè)時(shí)間窗口光子量子比特的光子通量，以及它們?cè)跀?shù)字化器上的到達(dá)時(shí)間。需要注意的是，為了維持光子1與QE之間CZ門的高保真度，光子1的帶寬低于其他光子，而光子2、3和4的發(fā)射速度更快，以更有效地利用固定的延遲。通過這些操作，研究者成功地生成了一個(gè)包含四個(gè)微波光子的簇態(tài)。

為了驗(yàn)證生成的態(tài)，研究者使用了基于最大似然估計(jì)的狀態(tài)映射，并計(jì)算了生成態(tài)與理想態(tài)之間的保真度。結(jié)果顯示，生成的簇態(tài)的保真度為70％，表明實(shí)現(xiàn)了真正的四部分糾纏。此外，研究者還生成了一個(gè)五光子的五邊形狀態(tài)，以進(jìn)一步驗(yàn)證生成多維簇態(tài)的可行性。未來的改進(jìn)將有助于提高波導(dǎo)的往返損耗和發(fā)射器與波導(dǎo)之間的耦合結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更大、更復(fù)雜的微波光子態(tài)的生成。

圖4. 確定性生成四光子二維團(tuán)簇態(tài)

總結(jié)展望

本研究通過在超導(dǎo)電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中采用創(chuàng)新的協(xié)議，成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)超導(dǎo)量子比特作為光子源，利用慢光波導(dǎo)進(jìn)行時(shí)延反饋，生成了高保真度的二維簇態(tài)。這一成果不僅在量子信息領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，還為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更復(fù)雜量子態(tài)的生成提供了有力的基礎(chǔ)。通過引入時(shí)間延遲反饋機(jī)制和形狀化光子脈沖發(fā)射，科學(xué)家們?yōu)榱孔佑?jì)算和通信等領(lǐng)域提供了一種資源高效的路徑，這將有助于推動(dòng)量子信息處理技術(shù)的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Ferreira, V.S., Kim, G., Butler, A. et al. Deterministic generation of multidimensional photonic cluster states with a single quantum emitter. Nat. Phys. (2024).10.1038/s41567-024-02408-0.

原創(chuàng)文章，作者：Jenny（小琦），如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/03/18/f5b15bc296/

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