维也纳工业大学提出让光子在传播中变形以实现完美量子信息传输

光子在传播过程中形状发生变化。[图片：Oliver Diekmann / TU Wien]

以量子比特形式传输信息的量子网络是现代量子技术的基础。光子被用来将激发从一个量子比特传递到另一个远距离的量子比特——但采用传统方法时，第二个量子比特只有约 54% 的时间能够吸收光子脉冲。

为提高吸收效率，奥地利维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员提出了一种色散工程光波导，可将光子脉冲重塑为其时间反演对应脉冲（Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/m2md-rxkv）。这项理论工作可能为量子通信和量子计算开启更高效、更简洁架构的大门。

“这使得第二个量子比特能够完美吸收光子，从而实现完美的量子信息传递，”该研究作者、TU Wien 理论物理研究所博士后研究员 Zeyu Kuang 说。“我们的方法与传统方法的不同之处在于，它完全是被动的。”

时间反演对称性

当一个量子比特自发衰变到基态并发射出光子脉冲时，量子信息便在两个量子比特之间传递。随后光子脉冲通过光波导传播到第二个量子比特，后者吸收光子脉冲并跃迁到激发态。

由于吸收是发射的时间反演过程，完美吸收要求光子脉冲具有与所发射脉冲时间反演的波形。目前的标准方法是利用外部激光动态调节量子比特与光波导之间的有效耦合率，以产生可被完美吸收的对称光子脉冲。

“然而，这需要精确的时序控制以及对两个量子比特的主动控制，”Kuang 说。“相比之下，我们的方法通过采用色散工程光波导完全消除了这种主动调制，光子在传播过程中被被动地重塑。”

与实验人员合作

通过定制其色散关系，光波导可以在每个频率上提供必要的时间反演相移，从而对发射脉冲进行时间反演。在该研究中，Kuang 与同事解析推导了量子比特相距较远和较近时所需的色散，并对介于两者之间的情形进行了数值优化。他们还提出了一种新的光波导架构，即使量子比特位置未被准确确定或之后被重新配置，也能保持完美传递。

结果表明，传递保真度接近 1（≥ 98%），且对典型的光子传播损耗以及量子比特频率和量子比特-光波导耦合的不完善具有鲁棒性。接下来，研究人员计划探索更复杂量子态的传递，例如纠缠双光子态和超辐射态。

“我们正积极与实验人员合作，探索这些色散工程光波导的设计与制造，尤其是在微波超导电路中，我们看到这项技术有望在近期得到实现，”Kuang 说。