[论文解读] Production and applications of non-Gaussian quantum states of light

A. I. Lvovsky, Philippe Grangier+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 15被引用 29

一句话总结

本综述系统地探讨了利用连续变量技术生成和应用非高斯光量子态的方法，重点聚焦于光子减除、条件本振探测和量子层析成像等技术。研究表明，这些非高斯态——对通用量子信息处理至关重要——可被实验实现并表征，从而推动了量子通信和量子计算中先进协议的发展。

ABSTRACT

This review covers recent theoretical and experimental efforts to extend the application of the continuous-variable quantum technology of light beyond "Gaussian" quantum states, such as coherent and squeezed states, into the domain of "non-Gaussian" states with negative Wigner functions. Starting with basic Gaussian nonclassicality associated with single- and two-mode vacuum states produced by means of parametric down-conversion and applying a set of standard tools, such as linear interferometry, coherent state injection, and conditional homodyne and photon number measurements, one can implement a large variety of optical states and processes that are relevant in fundamental quantum physics as well as quantum optical information processing. We present a systematic review of these methods, paying attention to both fundamental and practical aspects of their implementation, as well as a comprehensive overview of the results achieved therewith.

研究动机与目标

• 提供对超越相干态和压缩态等高斯态的非高斯光量子态生成在实验与理论方面进展的全面概述。
• 识别并分析实现具有负Wigner函数的非高斯态的关键技术，如条件测量、光子计数和本振探测。
• 在量子信息处理背景下，特别是量子通信和线性光学量子计算中，评估这些方法的性能与可扩展性。
• 突出实现非高斯态的确定性、高效率和高保真度制备所面临的挑战，并评估克服这些挑战的进展。

提出的方法

• 利用参量下转换生成单模和双模压缩真空态，作为非高斯态工程的起点。
• 通过条件本振探测和光子数测量，实现对非高斯态（如薛定谔猫态和 Fock 态）的投影制备。
• 基于本振探测的量子层析成像技术，用于重建非高斯态的密度矩阵，从而实现其非经典性质的完整表征。
• 结合线性干涉仪与相干态注入，在连续变量框架下实现任意叠加态与纠缠态。
• 集成片上光子平台与微腔结构，以增强光-物质耦合，提升非高斯态生成的效率与稳定性。
• 探索结合原子存储器与微波-光转换器的混合方法，以实现离散与连续变量量子系统的接口。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用连续变量技术确定性且高效地生成非高斯光量子态？
• RQ2 当前生成非高斯态的方法（如光子减除与条件测量）在基础与实际层面存在哪些限制？
• RQ3 量子层析成像在多大程度上能够准确重建具有负Wigner函数的非高斯态的完整密度矩阵？
• RQ4 非高斯态如何实现仅靠高斯态无法完成的通用量子信息处理任务？
• RQ5 在集成光子平台中，非高斯态源的关键性能指标（如亮度、不可分辨性与效率）是什么，对可扩展性有何影响？

主要发现

• 通过从压缩真空态中减除光子并结合条件本振探测，已实验生成非高斯态（如薛定谔猫态和 Fock 态）。
• 基于本振探测的量子层析成像已实现对非高斯态的完整重建，包括负Wigner函数的验证。
• 已实现高保真度的隐性单光子态及光子增加或减除的压缩态，支持量子隐形传态与纠缠纯化等应用。
• 集成光子平台与微腔结构显著提升了非高斯态生成与探测的效率与稳定性。
• 确定性非高斯态源（包括原子里德堡态与固态量子点系统）已实现高亮度、反聚束性与不可分辨性，接近实际可扩展性。
• 结合原子存储器与光模式的混合系统已实现高效的量子态转移与存储，且在隐性态中观测到负Wigner函数。