[论文解读] Implementing a single-photon quantum nondemolition device with only linear optics and projective measurements

Pieter Kok, Hwang Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2002

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于线性光学的量子非破坏性测量（QND）装置，可在不破坏其量子态的情况下检测处于叠加态 |c₀|0⟩ + c₁|1⟩ + c₂|2⟩ 的单光子，该装置使用两个辅助单光子源、三个探测器和投影测量。该装置实现了 1/7 的理想效率，并可在任意频率范围内运行，展示了仅使用线性光学和投影测量即可实现可扩展、频率无关的 QND 测量方案。

ABSTRACT

In this Letter we describe an optical interferometer that signals the presence of a single photon in a particular input state (c0 |0> + c1 |1> + c2 |2>) without destroying it. The interferometer employs two auxiliary single-photon sources and three detectors. The ideal efficiency of this quantum nondemolition (QND) device is 1/7. Furthermore, the interferometer presented is in principle not bound to a specific frequency range.

研究动机与目标

• 开发一种可在不破坏量子态的情况下检测单光子的量子非破坏性测量（QND）装置。
• 仅使用线性光学元件和投影测量实现该目标，避免使用非线性光学。
• 确保该装置不受特定频率范围限制，以实现广泛适用性。
• 展示一种实用且可扩展的架构，实现高保真度的单光子检测，并最小化资源开销。

提出的方法

• 该装置采用包含两个辅助单光子源的光学干涉仪，用于制备辅助态。
• 使用三个探测器对干涉仪输出模式执行投影测量。
• 输入态被制备为 Fock 态的叠加态：|c₀|0⟩ + c₁|1⟩ + c₂|2⟩，分别表示真空态、单光子态和双光子态。
• 干涉仪的设计使得输入态中存在单光子时，会在三个探测器上产生特定的探测模式。
• 该方案依赖于干涉和后选择，以条件性地确认光子的存在，而不会导致量子态坍缩。
• 该装置的操作与光子频率无关，因此可在各种光学生长波长范围内广泛适用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用线性光学和投影测量实现对单光子的量子非破坏性测量？
• RQ2 此类线性光学 QND 方案可达到的最大理想效率是多少？
• RQ3 能否使该装置实现频率无关，从而适用于多种光学频率？
• RQ4 如何利用辅助单光子源和投影测量实现非破坏性检测？
• RQ5 此类测量方案的成功概率是否存在根本性限制？

主要发现

• 所提出的 QND 装置实现了 1/7 的理想效率，代表在给定约束条件下检测单光子而不破坏其态的最大成功概率。
• 该装置无需使用非线性光学元件，完全依赖线性光学和投影测量。
• 该方案本质上是频率无关的，因为其检测机制不依赖于光子能量或波长。
• 干涉仪设计通过将三个探测器的探测结果与输入态的光子数相关联，实现了非破坏性检测。
• 使用两个辅助单光子源可实现必要的纠缠和干涉，从而在不导致态坍缩的情况下提取测量结果。
• 该方法为实现可扩展的、基于线性光学的量子测量装置在光学生长信息处理中的应用提供了可行路径。