超构透镜阵列量子纠缠与高维量子计算机

超构透镜阵列量子纠缠与高维量子计算机

                   秦至康

目前国际上最前沿、最活跃的量子信息研究领域，有从基于超构透镜阵列制备高维量子纠缠光源，到用三缝实验超越双缝实验设计新量子计算机的消息，

《中国科学报》记者秦志伟2020年6月26日发表《高维量子纠缠光源制备又辟蹊径》一文，报道固体微结构国家重点实验室教授、中科院院士祝世宁与教授王振林团队，一直致力于光学超构材料和超构表面的研究，最近实验室副教授王漱明、教授李涛等在超构透镜设计和成像的研究方面，提出相位拆分原理，解决了通过超构表面材料实现透镜成像的宽带消色差问题，设计出可见光宽带连续消色差超构透镜，实现了白光照明成像以及彩色图片成像，在高维量子纠缠光源研究中取得的重大突破──使用超构透镜阵列与非线性晶体结合，成功制备出高维路径纠缠和多光子光源，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制。

而2020年《环球科学》杂志第2期，已发表印度物理学家乌尔巴西•辛哈教授的《三维量子比特：量子计算新可能》一文，比较详细地介绍了她和她的研究团队花费10多年时间在“三缝实验”上，揭示了超越双缝实验的量子力学的新秘密，为高维量子计算铺平了道路。辛哈教授说：“量子计算的一个核心挑战，是如何增加一台量子计算机所能容纳的比特，即量子比特的数量，同时不破坏其叠加态，使得一个比特可以同时处于两种状态，这是量子计算超快速度的关键。目前该领域内大多数研究者，都致力于增加系统中量子比特的数量，我们实验室却尝试了另一种较少人问津的方法：用高维的‘量子比特’来代替传统的二维比特。通过三缝系统，我们能创造出一个名为‘量子众特’的三维量子比特”。

辛哈教授说他们的“三缝实验”，揭示传统在“双缝实验”中处理波函数的方法有瑕疵。例如，假设两条狭缝被标记为A和B，则当狭缝A单独打开时，系统波动方程的解可以记为ΨA；当狭缝B单独打开时解可以记为ΨB。那么如果两条狭缝都打开，通常教科书中将此时的解写成ΨA＋ΨB，表示通过狭缝的粒子处于两个态叠加之中──这体现的态叠加原理并不完整。道理是：同时打开两条狭缝，并不等于分别打开一条狭缝。因为同时打开两条狭缝时，一个粒子会同时穿过这两条狭缝并与自己干涉，上述叠加态解中，并未考虑这种情况──虽然这个量，小到可以忽略不计。

这个量是在方程中加入的一些修正项的参数，以便得到正确的结果──这个量被称为“索尔金参数”，因为最初是由美国雪城大学的物理学家拉斐尔•索尔金提出的。辛哈教授和她的研究团队的“三缝实验”证明这个索尔金参数量确实存在，而且并不总那么无关紧要。

例如，辛哈教授说他们的实验使用了两个喇叭天线，一个用来发射微波光子，另一个用来探测。两者之间放置一块平板，上面有三条狭缝，每条10厘米宽，间距13厘米。实验结果表明，干涉图案与波动方程的假设解ΨA＋ΨB并不一致，但是加上非0的索尔金参数之后就变得一致了。辛哈教授说他们是希望通过“三缝实验”，设计新的量子计算工具。道理是：量子比特指一个量子比特与经典计算机中一个比特有两个基本态一样，也具有两个基本态，但它可以同时处于这两个状态。可能态数为2n，n为量子比特的数量。三个量子比特就有2n=8个可能态。“三缝实验”涉及“量子众特”──当一个光子穿过狭缝板时，通过每条狭缝的概率相等。一个经典的粒子只能穿过某条狭缝，但是一个量子粒子却可以同时穿过三条狭缝形成叠加态。

这个处于叠加态的光子可作具有三个基本态的“量子众特”──一个量子众特具有三个基本态，总可能态数为3n，因此2个量子众特就有32=9个可能态。与使用3个量子比特相比，可以使用2个量子众特──两者产生的可能量子态是差不多的。由此可知，与其费力增加座位，不如扩大房间，如果增加基本态的个数，就可以用更少的量子比特完成相同的任务──这正是研究高维量子计算机的目的。

高维量子计算机的优势，是能摆脱二进制代码──比如一场足球赛，通常只想到两个结果：“赢”或者“输”，这可以用两个量子态来表示，因此在量子世界中使用一个量子比特就够了。但是如果再加两个结果，比如“弃权”和“平局”，那么一个量子比特就不足以描述所有的结果，而需要两个量子比特。但在四态系统中，一个量子就够了──在量子计算机中被称为“量子囚特”。对于相同的数据量，高维量子比特又称为“量子多特”──只需要更小的系统就能满足计算需求。理论证明这个优势，给特定用途的量子计算机带来性能提升。

但“量子多特”是一个较新的研究方向，还缺乏相关的算法和工具支持。然而正是这些开放的问题，让这个领域保持着活力与潜力。其次，产生辛哈教授团队“三缝实验”类似的空间波函数三缝特征的量子众态，离真正可用的量子计算机仍然有很远的距离。这必须设计出能完成量子众态任务的光学元件，而且还要将整个系统小型化，使之成为名副其实的可运行的量子计算系统。

读乌尔巴西•辛哈教授的《三维量子比特：量子计算新可能》一文，我们觉得很新鲜，特别是她说的“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”，联系基于超构透镜阵列制备高维量子纠缠光源，制备超越传统的电子计算机和量子计算机的“比特”和“量子比特”概念的“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”原理的、辛哈教授定义的“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等最新概念理论的、人类还没有研制出名副其实的可运行的高维量子比特计算机，提供了又一新思路。

称之为“超构表面”的微结构薄膜材料的研究与发展，为高维量子比特计算机的发展，提供的是一条全新的路径──是将超构透镜与非线性光学晶体（β相偏硼酸钡晶体，简称BBO晶体）组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统，设计并制备出10×10的超构透镜阵列，使用泵浦激光入射到该系统，超构透镜阵列将泵浦激光均匀的分成10×10份，并在BBO晶体中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO中发生自发参量下转换过程，产生一系列信号/闲置光子对。这一结构制备出的路径纠缠光子的维度为100，也能产生多光子。如果增加透镜阵列数，纠缠光子的维度还可以进一步提高──采用波长为404纳米的连续激光作为泵浦光，测量由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠缠特性，测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%，96.6%和95.0%。

超构透镜具有灵活的光场调控能力，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从而进一步调制纠缠态。通过对超构透镜的相位设计，对所制备的量子纠缠态进行了精细的相位编码。另外该系统也可以用于制备简易紧凑的多光子源──利用415纳米的飞秒激光作为泵浦源，分别测量由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线，展示的4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果，得到很高的干涉对比度，证明产生的多光子量子光源具有很好的性质。超构表面技术实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制，有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域。