糾纏對于量子位和連續(xù)變量區(qū)域中的許多量子信息協(xié)議是必不可少的

量子信息協(xié)議基于各種糾纏模式，如Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)，Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)和其他集群國家。對于按需準備，這些狀態(tài)可以用光學中的壓縮光源來實現(xiàn)，但是這樣的實驗缺乏通用性，因為它們需要各種光學電路來單獨地實現(xiàn)不同的纏結狀態(tài)。在最近的一項研究中，日本應用物理與工程跨學科的Shuntaro Takeda及其同事通過開發(fā)按需糾纏合成器解決了這個缺點。使用實驗裝置，物理學家可以通過單個壓縮光源可編程地產(chǎn)生糾纏態(tài)。

在工作中，他們使用基于環(huán)路的電路動態(tài)控制在納秒時間尺度來處理時域中的光脈沖。科學家們在一次設置中生成并驗證了五種不同的小尺度糾纏態(tài)和一個包含1000多種模式的大型集群，而無需改變光路。由Takeda等人開發(fā)的電路。可以存儲和釋放所生成的糾纏態(tài)的一部分以用作量子存儲器。發(fā)表在Science Advances上的實驗報告將開辟一種使用可擴展量子處理器按需構建通用糾纏合成器的新方法。

糾纏對于量子位和連續(xù)變量(CV)區(qū)域中的許多量子信息協(xié)議是必不可少的，其中它們執(zhí)行各種應用。例如，雙模式Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)狀態(tài)是最常用的最大糾纏態(tài)，作為兩方量子通信的構建塊和基于量子隱形傳態(tài)的量子邏輯門。該狀態(tài)的廣義版本是建立量子網(wǎng)絡的n模式Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)狀態(tài)，其中GHZ量子態(tài)可以在n個參與者之間共享。例如，n個參與者可以彼此通信以進行量子秘密共享。對于另一方面，量子計算被稱為簇狀態(tài)的特殊類型的糾纏作為允許單向量子計算的通用資源已經(jīng)引起了很多關注。

目前用于確定性地制備光子糾纏態(tài)的最方便和最成熟的方法涉及使用分束器網(wǎng)絡混合壓縮光以在連續(xù)變量(CV)方案中產(chǎn)生糾纏。物理學家最近通過擠壓在時域或頻域中復用的光源來證明大規(guī)模糾纏態(tài)。該方法不是通用的，因為它們必須設計各種光學裝置以產(chǎn)生特定的纏結狀態(tài)。物理學家先前已經(jīng)報道了使用后處理測量或通過后處理測量的多模量子態(tài)中幾種類型的糾纏的可編程表征改變測量的基礎。因此，在單個框架內(nèi)以可編程的，確定的方式直接合成各種糾纏狀態(tài)仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

在本實驗中實際生成和驗證的糾纏類型。橙色球體代表量子模式。連接兩種模式的藍色箭頭表示連接的節(jié)點可以通過使用糾纏來彼此通信。連接兩種模式的布朗鏈接意味著在這些模式之間應用用于生成簇狀態(tài)的糾纏門。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

在目前的工作中，Takeda等人。提出了一種按需光子合成器，可編程產(chǎn)生一組重要的糾纏態(tài)，以解決現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，包括 -

時域中處理光脈沖。使用該電路，科學家們驗證了各種糾纏態(tài)的可編程生成。該設置還可以存儲和釋放所生成的糾纏狀態(tài)的一部分以用作量子存儲器。這種新方法為光子量子信息可加工性提供了一條有前途的途徑，其中包括可擴展性和可編程性。

按需糾纏合成器的示意圖。(A)概念示意圖。(B)改變系統(tǒng)參數(shù)的時間順序。(C)等效電路。(D)實驗裝置。有關詳細信息，請參閱材料和方 “H”和“V”分別表示水平和垂直極化。OPO，光參量振蕩器; PBS，偏振分束器; QWP，四分之一波片; EOM，電光調(diào)制器; LO，本地振蕩器。(E)分束器透射率T(t)的實際控制。繪制測量(藍線)和理想(黑點線)響應。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

當形成糾纏合成器的概念時，科學家們使用單個壓縮器在研究中依次產(chǎn)生壓縮光脈沖。他們將脈沖注入環(huán)路，其往返時間(τ)等于脈沖之間的時間間隔。該環(huán)路包括具有可變透射率 T(t)的分束器和具有可變相移θ(t)的移相器 - 其中t表示時間。在通過環(huán)路傳輸后，科學家們使用可調(diào)測量基準將脈沖指向零差檢測器。該電路可以從壓縮脈沖合成各種糾纏態(tài)，用于后續(xù)分析。

為了證明可編程糾纏的產(chǎn)生，科學家們首先對合成器進行了編程，以產(chǎn)生五種不同的小規(guī)模糾纏態(tài)。這些包括(1)EPR狀態(tài)，(2)三模式GHZ，(3)雙模式簇狀態(tài)，以及(4)一對三模式簇狀態(tài)。為了驗證糾纏狀態(tài)，科學家將時間模式函數(shù)應用于零差信號(波函數(shù)轉換為電信號)并提取寬帶光脈沖的正交以評估不同脈沖之間的相關性。

他們使用與有效擠壓水平直接相關的不可分離性參數(shù)來量化相關強度。科學家能夠獲得結果，其中值滿足研究中得出的不可分性標準，以證明可編程生成五種不同的糾纏態(tài)。他們使用壓縮光產(chǎn)生期間的累積損耗，環(huán)路中和測量期間的糾纏合成來解釋這些值。

生成一維簇狀態(tài)。(A)示意圖。(B)前15種模式的單次測量。測量奇數(shù)(偶數(shù))模式的x ^ k(p ^ k)并繪制為紅色正方形(藍色圓圈)。(C)p ^ k(藍色圓圈)和x ^ k-1 + x ^ k + 1(紅色菱形)之間的比較。(D)對于(i)真空狀態(tài)(作為參考;黑點)和(ii)簇狀態(tài)(藍點)的無效值<δ^ k2>的測量方差。每個方差的SE約為0.01，始終低于0.03。黃色陰影區(qū)域代表不可分割的區(qū)域。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

然而，由于驅動電路的電光(EOM)調(diào)制器的設計限制，實驗裝置無法合成超過三模式的GHZ和簇狀態(tài)。因此，科學家們的目標是開發(fā)更復雜的驅動電路或構建級聯(lián)的多個EOM，以增加可選擇的透射率值的數(shù)量，并在下一步產(chǎn)生各種GHZ和簇狀態(tài)。

糾纏合成器還可以產(chǎn)生大規(guī)模糾纏態(tài)以實現(xiàn)高可擴展性; 以一維簇狀態(tài)顯示。由科學家開發(fā)的電路等同于先前提出的簇狀態(tài)生成，并且此后由Yokoyama等人證明。在目前的工作中，科學家們?yōu)槌^1000種糾纏模式產(chǎn)生了一維聚類狀態(tài)。由于技術限制，科學家們只能在實驗中測量1008種模式。然而，原則上，該方法對可以生成的糾纏模式的數(shù)量沒有理論限制。

與Yokoyama等人的先前方案相比，科學家無法直接比較這些聚類狀態(tài)的質(zhì)量。因為本發(fā)明的基于環(huán)路的方案易受由于實驗裝置中的附加光學元件引起的損耗的影響。環(huán)路中基于分量的損耗包括可變分束器和移相器，當光脈沖重復循環(huán)設置時，這導致?lián)p耗累積。

武田等人。通過將光脈沖限制在可編程環(huán)路中，也形成了量子存儲器。盡管將可調(diào)延遲添加到非經(jīng)典CV狀態(tài)的能力可能在各種量子協(xié)議中的時間同步中起關鍵作用，但物理學家迄今為止僅針對糾纏連續(xù)變量(CV)狀態(tài)進行了一些量子記憶實驗。

在循環(huán)中存儲EPR狀態(tài)的一部分。(A)控制順序。(B)測量的不可分性參數(shù)<[Δ(x1-x2)] 2> + <[Δ(p1 + p2)] 2>對于每個延遲nτ繪制SE(τ= 66 ns，n = 1,2，... ，11)。黃色陰影區(qū)域代表不可分割的區(qū)域。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

雖然基于環(huán)路的量子存儲器是一種簡單且通用的存儲器，其不限制光的波長或量子狀態(tài)，但它之前僅針對單光子顯示。武田等人。通過在循環(huán)中生成EPR狀態(tài)并為n循環(huán)存儲EPR狀態(tài)的一部分然后最終釋放它來演示當前工作中的功能?？茖W家可以通過增加環(huán)路或反饋系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性來穩(wěn)定量子態(tài)，從而延長設置中量子記憶的壽命。他們能夠將任何CV量子態(tài)存儲在基于環(huán)路的存儲器中，并且還通過將壓縮器改變?yōu)槠渌孔庸庠磥戆ǚ歉咚範顟B(tài)。

通過這種方式，Takeda等人。可編程地生成并驗證小規(guī)模和大規(guī)模糾纏態(tài)，并動態(tài)控制分束器的透射率，基于環(huán)路的光學電路的相移和測量基準，納秒級時間尺度。他們通過在循環(huán)中存儲部分EPR狀態(tài)來演示電路的量子存儲容量。該系統(tǒng)具有可編程性和高度可擴展性，為未來的光子量子技術提供了獨特的多功能工具。

武田等人。設想將該環(huán)路電路嵌入更大的環(huán)路中以實現(xiàn)嵌套的任意分束器網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡組合輸入壓縮脈沖以合成任意簇狀態(tài)。他們還預見到通過包括基于零差檢測器信號和非高斯光源的可編程位移算子，將該電路擴展到通用量子計算機。新網(wǎng)絡將成為實現(xiàn)這些目標的重要基礎，并激發(fā)光子量子信息處理的額外理論和實驗研究。