光子的不可區分性是未來光量子計算機需要的一個重要特性。以前的方法一次隻能量化兩個光子的不可區分性。現在，來自法國和意大利的研究團隊開發了一種新的光學裝置，第一次可以量化多個光子的不可區分性。9月2日，相關成果以《用循環內建幹涉儀量化n個光子的不可區分性》為題[1]，發表在《實體評論X》上。
01
新裝置：精确量化光子的不可區分性
光子可用于執行複雜的計算，但它們必須相同、或接近相同。此次由米蘭理工大學團隊制造的一種新裝置，可以确定一個“源”發出的幾個光子在多大程度上是不可區分的：以前的方法隻能粗略估計出光子的不可區分性，但新方法提供了精确的測量。這個裝置本質上是互連波導的排列，可以作為量子光學實驗室的診斷工具。
在光量子計算中，光子序列在複雜的光學電路中互相互動。早在2019年，中國科大團隊曾利用光量子計算機證明了其在解決“玻色采樣問題”的“量子優越性”[2]：這意味着預測一組輸入玻色子（正常情況下是光子）在經曆了某種具有多種可能結果/“模式”變換過程之後的分布，對可能的分布範圍進行抽樣的最有效方法是通過實驗來展現計算的實體性。
為了使這些計算起作用，光子必須具有相同的頻率、相同的極化和相同到達裝置的時間。研究人員可以通過一種幹涉儀輕松檢查兩個光子是否無法區分：在這種幹涉儀中，兩個波導（每個光子一個波導）靠得足夠近；但是，一個光子可以跳入相鄰的波導。是以，如果這兩個光子完全無法區分，那麼它們最終總是會在同一個波導中一起出現。
02
四光子系統：驗證光子的不可區分性
對于較大的光子集，這種成對測試變得不切實際，因為它必須對所有可能的雙光子組合進行重複。研究人員已經設計出了近似的方法，但他們隻給出了不可區分性的上限和下限。此篇論文的第一作者、米蘭理工大學的Andrea Crespi說：“當你有兩個以上的光子時，評估它們是否相同并不那麼容易。”
圖1 這張圖顯示了一個測量不可區分性的概念裝置。光子從左邊進入，被波導引導到右邊的輸出。在特定的點（黑條），光子可以跳到鄰近的波導。這種跳躍的機率取決于光子的不可區分性。
Crespi和他的同僚想出了一個簡單的方法：通過讓多個光子在一個高度協調的波導陣列中互相作用來确定它們的不可區分性。第一次示範時，該團隊建構了一個四光子的系統。他們從一塊玻璃闆開始，用雷射寫入技術來“印證（imprint）”八個高密度的管子，用于引導光子通過玻璃闆。這些波導就像一條八車道的高速公路，供光子“司機”使用，他們可以在相鄰車道接觸的特定點改變車道。例如，2号車道在特定位置與1号和3号車道相接觸。一座類似的“橋梁”也連接配接着1号和8号車道，是以每條車道都接觸到兩個鄰居。
該團隊使用一種被稱為量子點的半導體源，反複向奇數車道（1，3，5，7）輸入四個光子，并在高速公路的盡頭，記錄哪些車道被光子占據。
最終，他們觀察到許多的車道排列，如（1，3，5，6）和（2，4，6，8）。接下來，研究人員用雷射加熱其中一條車道，逐漸改變其折射率，這在一些最終車道排列的機率中引起了振蕩：這些振蕩意味着幹擾效應正在影響車道的變化。
圖2 實驗裝置示意圖。一個基于量子點的單光子源（QDSPS）被周期性地激發并發射出一串單光子。使用一個基于周期性驅動聲光調制器（AOM）的解多工器，将光子分離成四個空間模式（spatial mode）。光子的偏振用波闆控制的，并使用延遲光纖來確定四個光子的同時到達。使用超導納米線單光子探測器（SNSPD）在幹涉儀的輸出端檢測光子，并使用一個相關器記錄四光子的重合。
圖3 當四個相同的光子狀态（1，3，5，7）被輸入時，其檢測的輸出狀态。
研究小組從理論上表明，振蕩的振幅給出了真正的不可區分性，這是一個從0到1的數字，其中1對應于完全相同的光子。他們發現不可區分性為0.8，意味着他們的系統有一些不完善之處。研究人員還表明，他們可以通過旋轉一個輸入光子的偏振來使振蕩消失，進而使其與其他光子區分開來。
圖4 通過使用半波闆旋轉其偏振（相對于圖3中實驗的參考位置θ = 0°），光子A的不可區分性相對于其他光子而言有所降低。通過旋轉半波闆分别為θ（a） = 11°、θ（b） = 19°、θ（c） = 31°、θ（d） = 45°，“震蕩”的能見度降低，因為測得的最小雙光子Hong-Ou-Mandel幹涉能見度（提取的單光子不可區分性）降低了。當光子A幾乎完全可區分時，測得的四光子振蕩的振幅對比度下降到幾乎為零。
03
實驗成果意義重大
可以想象，這項技術可以在更多的光子下工作，但看到車道排列變化所需的測量數量會随着光子數量的增加而呈指數級增長。是以Crespi承認，對于未來處理100個或更多光子的光學計算機來說，這将是不現實的。不過，他還是預見到他們的裝置是對量子光學實驗的一種突破性方法。他說：“我們的實驗為量子光學實驗者的工具箱增加了一個工具。“
中國科學技術大學的量子資訊專家陸朝陽說[3]：“這篇論文報告了一種有用的方法，通過測量多光子不可區分性來診斷光子量子電路。這是一個重要的名額，對實驗的不完美非常敏感。”荷蘭萊頓大學的量子光學專家Wolfgang Löffler說：“這是一個非常聰明的幹涉儀設計。”他還對産生、分離光子序列的光學系統印象深刻：讓所有器件一起工作是一項重大努力。
參考連結：
[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.031033
[2]https://physics.aps.org/articles/v12/s146
[3]https://physics.aps.org/articles/v15/135