可编程非线性量子光子电路：实现单光子水平精准调控的光量子处理器

《Nature Communications》：Programmable nonlinear quantum photonic circuits

本刊推荐研究人员针对光子间缺乏直接相互作用这一光量子技术核心难题，开展了基于量子点-波导耦合的可编程非线性量子光子电路研究。通过将InAs量子点嵌入GaAs光子晶体波导，在时间编码的线性干涉仪中实现了高达π/4的非线性相移编程能力，并成功演示了水分子振动动力学的量子模拟，为构建确定性光量子计算平台开辟了新路径。

　　

在量子技术蓬勃发展的今天，光子作为量子信息的理想载体，以其抗干扰性强、传输速度快和易于集成等优势备受青睐。近年来，线性光学量子计算取得了显著进展，已能实现数千个光学元件组成的大规模光子电路。然而，由于光子之间缺乏天然的相互作用，实现确定性的非线性操作和纠缠门一直是个巨大的挑战。传统的测量诱导非线性方案虽然可行，但其概率性本质导致了巨大的资源开销和苛刻的噪声要求，严重限制了可扩展性。

面对这一瓶颈，研究者将目光投向了光与物质相互作用。量子发射体，如原子、离子、色心以及量子点（Quantum Dot, QD），为在单光子水平引入强非线性提供了可能。通过光子与量子发射体的相互作用，可以实现确定性的光子-光子相互作用，为构建真正实用的光量子处理器铺平道路。在此背景下，发表于《Nature Communications》的这项研究报道了一种突破性的可编程非线性量子光子电路。

为了开展研究，团队主要采用了以下关键技术：1）利用时间编码的马赫-曾德尔干涉仪实现可编程线性操作；2）通过电极控制量子点的斯塔克效应，精确调控其与光子的失谐（Δ），从而编程非线性相互作用强度；3）采用嵌入InAs量子点的GaAs光子晶体波导（Photonic Crystal Waveguide, PCW）增强光与物质相互作用（耦合强度β?88%）；4）使用超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors, SNSPDs）进行伪光子数分辨探测。

Programmable linear and nonlinear photonic circuits

研究人员设计了一个由两个可调线性干涉仪夹着一个非线性元件的光子电路。其核心创新在于利用时间自由度，通过一个具有3 ns延时的自稳定时间比特干涉仪来实现通用两模线性操作。光子首先进入第一个时间比特干涉仪进行线性变换，然后被耦合进GaAs芯片，与嵌入在光子晶体波导中的单个InAs量子点发生相互作用。这种强耦合（β?88%）导致了显著的非线性效应，在双光子情况下表现为类似克尔（Kerr）效应的可编程非线性相位门。相互作用后的光子被重新耦合出芯片，进入第二个时间比特干涉仪进行最后的线性操作，最终由SNSPDs探测。通过扫描量子点失谐Δ、脉冲宽度和线性相位φ，研究人员同时展示了电路线性和非线性部分的完全可编程能力。

Characterisation of the linear and nonlinear operations

通过时间分辨的光子关联测量，研究人员观察到了非线性相互作用存在时联合时间强度（Joint Temporal Intensity, JTI）中出现的沿对角线的显著关联以及持续的旁瓣。当扫描线性相位时，这些旁瓣由于量子干涉而发生变化。在非线性效应关闭（Δ?σ，σ为脉冲带宽）时，输出态|20?的干涉条纹可见度高达97.1%。而当量子点被调至共振以引入非线性时，非线性相位（φ_NL）和散射概率（?_NL）会降低干涉可见度。通过建立模型（|1?→√[η(1-?_NL)] e^iφ|1?, |2?→√[η2] e^i(2φ+φ_NL)|2?）并对实验数据进行拟合，研究人员成功提取了作为失谐Δ函数的非线性相位和散射概率参数。实验结果显示，非线性相位φ_NL最高可达约π/4，展现了广泛的可调谐性。研究还表明，该方案的传输成功率显著优于基于线性光学的测量诱导方案，并且通过采用单向波导或手性光子-发射体相互作用，有望实现完全确定性的非线性操作。

Photonic quantum simulation of anharmonic molecular dynamics

为了展示该平台的实用性，研究人员将其应用于模拟水分子（H₂O）的非谐振动动力学。该模拟基于分子振动模式（声子）与光学模式（光子）之间的映射关系。分子的谐波动力学可以通过线性光学电路模拟，而要模拟非谐性，则需要在两个线性变换之间嵌入非线性操作，这正是本研究实现的电路结构。研究人员通过编程线性相位φ和非线性相位φ_NL（通过控制Δ实现），分别对应分子振动本征模演化中相同激发数配置间的相对相位和不同激发数配置间的相对相位，来模拟不同时间步长的演化。实验结果表明，输出声子占据不同局域模式或聚束在同一模式中的概率，与考虑了非谐性的理论模型（实线）高度吻合，并且显著区别于谐波近似下的预测（虚线），成功演示了非谐效应在量子模拟中的实现。

本研究成功演示了首个兼具线性和非线性操作完全可编程能力的量子光子电路。该技术通过时间编码高效地复用单个量子点，为扩展非线性电路规模提供了可行的路径。其重要意义在于为实现确定性贝尔态分析、量子非 demolition 测量、光子纠缠门等关键量子信息任务奠定了硬件基础，突破了线性光学方案的固有局限。此外，该平台在量子模拟方面展现出巨大潜力，有望用于研究更大分子体系的振动和电子振动光谱。通过引入直接的非线性操作，可以显著提升模拟问题的计算复杂度，从而降低实现量子优越性所需的光子数和硬件性能要求。未来，通过改善量子点界面的量子 cooperativity、实现手性耦合以及提高系统效率，可以进一步提升非线性相位的范围和操作的确定性。将此类非线性电路配置为量子光学神经网络，则可用于合成高级别的光量子态，为光量子计算、量子中继器和连续变量量子信息处理开辟新的可能性。这项研究标志着可编程非线性量子光子学这一新领域的开端，为未来光量子技术的发展解锁了新的机遇。