基于新型高亮度纠缠光源的光量子信息处理实验研究

光子体系由于其优良的相干性和便于操纵性以及可以作为天然的飞行量子比特这些优点一直以来在量子信息研究的各主要领域发挥着重要作用，包括量子计算、量子通信以及近两年来开始引起人们关注的量子测量等领域。利用光子研究这些领域中的量子信息处理任务在目前存在的一个较大困难主要是缺乏比较理想的量子光源，无论是单光子源还是双光子或多光子纠缠源，目前已有的源都在能够操纵的光子数目上受很大限制。本项目提出利用本课题组近两年研制出的新型高亮度纠缠光子源开展一系列量子信息处理任务的实验研究，主要内容包括：1、进行可操纵光子数目超过六个（目前国际最高水平）的光量子信息处理任务的实验。2、充分利用高亮度的纠缠光子源，采取各种滤波手段提高多光子干涉的保真度，这一点对于很多量子信息处理任务的完成至关重要。3、利用可能实现的更多可操控光子数及更高的保真度来探索高精度的量子测量实验，以逼近物理量测量的海森堡极限。

量子纠缠态是量子信息领域的重要资源，是实现各种量子信息过程的基础。由于光子具有抗干扰能力强，传播速度快等优点，所以多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。目前世界上产生多光子纠缠态的普遍方法是利用晶体中的自发参量下转换过程，由于此过程是概率的，导致产生多光子纠缠态的难度会随着光子数目的增加而指数增大，之前人们最多能制备出六光子纠缠态。本项目中，我们以增强对多光子纠缠体系的操控能力为目标，取得了如下进展和成果：1）我们通过改进“beam-like”型纠缠光源，提高了纠缠源的亮度和品质，从而在实验上成功制备出了八光子纠缠态，并利用纠缠目击者技术验证了八光子的纠缠特性。这一成果标志着人们对多光子纠缠的制备与操控突破到八光子水平，将在量子通信网络，基于纠缠的量子计算等量子信息过程中获得重要应用，该工作已发表在Nature Communications上。2）我们设计了特殊的“三明治”型晶体结构，以此对“beam-like”型纠缠光源作了进一步改进，大幅提高了光源亮度，从而使得我们可以利用该纠缠光源开展更复杂的八光子量子信息处理实验。该“三明治”型纠缠光源我们已经申请国家专利，目前处于实质审查阶段。3）在我们现有纠缠光源的亮度和纠缠度的基础上，我们设计了一个可行的八光子实验方案，该方案演示了如何将两段较小规模的线性cluster态有效连接为一个更大规模的线性cluster态，这一过程是产生可用于One way量子计算的大规模cluster态的一个重要步骤。该实验目前正在进行中。