复杂介质中高维量子光路的逆向设计

苏格兰爱丁堡赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）的科学家们发现了一种强大的新方法，可以对光路进行编程，这对未来技术的实现至关重要，例如不可破解的通信网络和超快量子计算机。

实验物理学家、赫瑞瓦特工程与物理科学学院物理学教授 Mehul Malik 教授解释说：光可以携带大量信息，用光而不是用电进行计算的光路被视为计算技术的下一个重大飞跃。但是，随着光路变得越来越大、越来越复杂，它们也越来越难以控制和制造--这会影响它们的性能。我们的研究利用自然界中自然存在的一种工艺展示了一种替代的、更灵活的工程光路方法。

Malik教授和他的团队利用全球广泛使用的商用光纤开展研究，将互联网传输到我们的家庭和企业。这些光纤比头发丝还细，利用光来传输数据。通过利用光在光纤内的自然散射行为，他们发现可以在光纤内以高度精确的方式对光回路进行编程。这项研究发表在《Nature Physics》上。

图 1：可编程光路设计。a-c，一般线性变换可通过传统的自下而上方法（a）或建议的 "自上而下 "方法（b）实现，传统的自下而上方法是由分束器（BS）和移相器（P）组成的单元构建光路，而建议的 "自上而下 "方法则是将 d 维目标线性光路嵌入到 n > d 维的大型环境模式混合器中，其中 n - d 个辅助模式作为额外资源。这种技术利用随机单元 Uj（如复杂的散射系统）穿插在通过 SLM 实现的可控相位平面 Pj 中，为目标光路提供了可编程性。c, 使用多平面光转换器的类似方法，其中随机单元被自由空间传播 F 所取代。资料来源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

Malik教授解释道：当光进入光纤时，会以复杂的方式发生散射和混合，通过学习这个复杂的过程，并精确地塑造进入光纤的光，我们找到了一种方法，可以在这种无序状态下为光精心设计一个光路。

图 2：实验装置。a, 通过ppKTP晶体中的II型SPDC产生高维空间纠缠双光子态。两个光子通过偏振分束器（PBS）进行空间分离，并发送给双方，即 Alice 和 Bob。Alice执行单结果投影测量[数学处理错误]。测量光子是否携带模态基础 μ 的空间模态 a。这些测量由 SLM（SLM3）、SMF 和单光子雪崩光电二极管（APD）组合完成。Bob 实现了一个自上而下的可编程光路，该光路由放置在两个可编程 SLM（SLM1、2）之间的 MMF 构成。该光路用于对各种高维量子门进行编程，是一种通用的多结果器件。圆形插图显示的是一幅同步图像，描绘了在Bob处使用傅立叶门[数学处理错误]进行的基于 μ = 1 的五结果测量。该图像是通过扫描电路输出端的检测器获得的，以Alice的[数学处理错误]测量结果为条件，由于空间模式相关性很强，在模式 0 中显示了很大的强度。b, 电荷耦合器件图像，展示了傅立叶门[数学处理错误]作为经典宏像素模式的多结果测量的运行情况，该模式是在维数 d = {2，3，5}中以 μ = 1 为基础制备的。请注意，虽然输入模式在给定的 d 下具有相同的振幅，但它们在相位上是正交的（在强度图像中看不到）。L，透镜；F，滤波器；HWP，半波片。资料来源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

光路对于未来量子技术的发展至关重要--量子技术是通过单个原子或光子（光粒子）在微观层面上实现的。这些技术包括具有巨大处理能力的强大量子计算机和无法被黑客攻击的量子通信网络。

Malik教授继续解释说：例如，量子通信网络的末端需要光路，这样就可以在信息经过长距离传输后对其进行测量。它们也是量子计算机的关键部分，用于用光粒子进行复杂的计算。量子计算机有望在药物开发、气候预测和太空探索等领域取得重大进展。机器学习、人工智能是光路用于快速处理大量数据的另一个领域。

Malik教授说：光的力量在于它的多维性。我们可以在单个光粒子上编码大量信息。它的空间结构、时间结构和颜色，如果你能同时计算所有这些特性，就能释放出大量的处理能力。

研究人员还展示了他们的可编程光路如何用于操纵量子纠缠。量子纠缠是指两个或多个量子粒子（如光子）即使相隔遥远仍能保持连接的现象。纠缠在许多量子技术中发挥着重要作用，例如纠正量子计算机内部的错误和实现最安全的量子加密。

图 3：高维纠缠的操作和认证。资料来源：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。

Malik教授和他在赫瑞瓦特大学超越二进制量子信息实验室的研究团队与来自瑞典隆德大学、意大利罗马萨皮恩扎大学和荷兰屯特大学等机构的合作学者共同开展了这项研究。

从左到右--超越二进制量子信息实验室 (BBQLab) 成员 Saroch Leedumrongwatthanakun 博士、Mehul Malik 教授和博士生 Suraj Goel。资料来源：赫瑞瓦特大学

参考文献：Suraj Goel等人，《Inverse design of high-dimensional quantum optical circuits in a complex medium》，《Nature Physics》（2024）。