关于光量子信息处理的知识

为了更好地理解量子物理、推进量子信息处理和创造量子技术，光子一直是旗舰系统。光子是一种自然移动、低噪声系统，具有广泛的量子限制探测功能，利用光子演示了量子纠缠、远距传输、量子密钥分发和早期量子计算机演示。

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普通计算机无法解决的数学问题有望通过量子计算机来解决。特别是在密码学、安全通信、药理学研究、物流等领域，其中许多问题都具有重要的现实意义。

叠加、纠缠和干涉是量子计算机利用其优势的自然现象的例子。量子比特（qubit）用于处理由特定量子态表示的信息。量子计算所需的量子比特的物理基础之一是量子系统，可以使用原子、电子、离子或光子等基于光的技术来创建。

光子量子位
光子技术具有许多优势，包括无限的相干时间、室温下的信息处理、有利于平台互连的飞行量子比特以及成熟的半导体工业。

由于没有质量和电荷，光子是一种具有无限相干时间的光粒子，不易受到环境干扰。在光子中编码信息是安全传输数据的有效技术，因为单光子也可以以各种配置产生。

同时产生大量单光子状态的能力是进行短期和长期计算活动的必要条件。要做到这一点，显而易见的方法是拥有大量确定性光源，每个光源都能够在触发事件发生时同时产生一个且仅有一个光子。

这些光子还需要

有效收集，以进入 PQC 处理器，避免因吸收、衍射、散射或模式失配而造成损失。
处于纯量子态且彼此相同
必须能被有效探测，并与探测技术中使用的低损耗材料兼容。
各种物理系统，包括激光冷却原子、被困离子、材料中的缺陷、量子点和其他更先进的技术，都被用来创建真正确定的高质量光子源。其中一些系统依赖于单个发射器，这在理论上本质上可以实现按需单光子发射，而另一些系统，如原子集合和参数非线性过程，则需要预示信号和切换才能发挥作用。

产生光子
自发参数下变频（SPDC）是量子光学实验的一项重要技术，它仍然是以非确定方式产生高质量单光子的可行方法。这项技术的发展成功地解决了上述问题。
虽然 SPDC 是概率性的，但它可以用来产生 "预示性 "单光子状态，在这种状态下，探测到光子的孪生兄弟就表明有一个光子存在。相比之下，SPDC 可以产生在频率、横向空间模式或偏振方面内在纠缠的光子对。
编码质子
与光子占据光场中具有一定自由度的两种模式有关的概率振幅可用于编码量子比特。这种方法被称为双轨编码。我们可以用波导来做一个简单的解释。
在波导内，光子以单一路径传播。两种模式和一个光子可以编码一个量子比特。使用两个波导作为模式，每个模式的光单位用来表示一个量子位。光子可以占据其中一个模式。在任意位置的上波导上的光子可以对应于状态|0>的量子比特，而在下波导上的光子则对应于状态|1>的量子比特。
执行量子计算
利用这个量子比特平台，必须进行计算。为此，必须开发一些基本组件和阶段，就像每一步都是经典计算机上的一个门一样。
例如，要初始化量子叠加，即光子 50%的时间位于高波导，50%的时间位于低波导，就需要使用分光镜。分束器是一种光学仪器，可接收两个输入并提供两个输出。单个光子进入分束器后，将以 50/50 的概率随机迁移到任一模式。此外，还可能需要 30-70% 或 40-60% 等不同的概率；在这种情况下，需要使用包含移相器的更先进的分束器。
探测 
在量子实验中，光子的生命始于产生，终于探测。这两个过程都必须有效，而 PQC 在很大程度上取决于它们的性能和质量。
每当光子撞击理想的光子探测器（PD）时，探测器都会发出 "咔嗒 "声并迅速恢复工作。在没有发现实际光子的情况下，它不会产生误导性的正信号。此外，它还能确定在相同时空模式下发现的光子数量。
目前还没有这种完美的光子探测器。因此，现有光子探测器的检测效率、重置时间、检测时间抖动、暗计数率和光子数分辨能力都在不断提高。
虽然 PQC 并不绝对需要 "完美 "的光子探测器，但一个现实的、可扩展的平台取决于将光子探测器的性能提高到非常高的水平。
未来展望
现代电光元件（如集成电光调制器或波克尔斯电池）可实现快速偏振切换，以执行要求苛刻的贝尔测试，并可自由选择封闭或空间模式切换，实现信号源多路复用。目前还在开发有效的工具，用于操纵更不寻常的自由度，如频率-时间或横向空间模式。这些工具包括将信息从一种自由度转换为另一种自由度的方法，如极化转换为空间横向模式、离散变量转换为连续变量、频率转换等。
从长远来看，前景广阔。由于专为光子学（尤其是损耗光子学）创建的集群状态方法的进步，开销和误差阈值正在降低。随着大规模集成平台、超高质量的光源、探测器和门电路的出现，硬件技术也在不断进步，从而可以制造出具有大量组件的处理器。通过使用波色子采样等中间任务，有可能尽早展示真正的量子计算优势。对于一般的远程纠缠共享，以及将地理位置不同的处理器连接在一起，光子学仍然是领先的平台。

参考资料

Sergei Slussarenko, Geoff J. Pryde; Photonic quantum information processing: A concise review. Appl. Phys. Rev. 1 December 2019; 6 (4): 041303. https://doi.org/10.1063/1.5115814
 

T. G. Tiecke, J. D. Thompson, N. P. de Leon, L. R. Liu, V. Vuletić, and M. D. Lukin, “Nanophotonic quantum phase switch with a single atom,” Nature 508, 241 (2014).https://doi.org/10.1038/nature13188

作者：Ilamaran Sivarajah