综述：主动复用技术用于可扩展的光子量子态生成与操控

《Nano Convergence》：Active multiplexing for scalable generation and manipulation of photonic quantum states

　　

光子作为量子计算、量子网络和量子计量学中量子信息的重要载体。然而，缺乏直接的光子-光子相互作用构成了一个基本障碍：非线性量子操作固有的概率性。主动复用（active multiplexing）已成为关键策略，将概率性非线性过程转化为大规模量子系统的确定性构建模块。在这篇综述中，研究人员探讨了光子主动复用系统的最新进展和潜在架构，范围从单光子和复杂纠缠态的准确定性生成到基于测量的量子计算架构的实现。研究人员还概述了使能硬件的最新进展——包括基本光子源、探测器、开关及其集成。通过分析现状并识别关键挑战，研究人员强调了主动复用策略如何成为下一代可扩展光子量子信息处理的基石。

**2 MUX in photonic quantum systems**
主动复用（MUX）技术通过空间复用（S-MUX）和时间复用（T-MUX）策略，将概率性非线性操作转化为准确定性过程。每个概率单元（PU）由非线性光学源、线性光学电路和光子探测器组成，其成功由探测器的特定点击模式宣告。S-MUX并行运行多个PU，通过光学开关将成功输出路由至复用端口；T-MUX则利用光学环路重复操作单个PU，直到成功。这两种策略分别基于“从并行中选择”和“重复直至成功”原则，使非线性量子操作的有效概率可接近1，从而克服了线性光学中缺乏直接光子-光子相互作用的根本限制。前馈操作在实现准确定性过程中至关重要，与基于物质的量子平台不同，MUX中的前馈不仅是错误校正，更是实现非线性操作的关键。

**3 MUX of single-mode photon-number operations**
**3.1 MUX of heralded single-photon sources**
基于自发参量下转换（SPDC）或自发四波混频（SFWM）的宣告式单光子源（HSPS）作为PU，其单光子发射概率受限于双模压缩真空（TMSV）态的光子统计（最大25%）。MUX技术通过空间复用（S-MUX）、时间复用（T-MUX）和频率复用（F-MUX）等策略，有效克服了这一概率瓶颈。S-MUX使用多个HSPS并行运行，通过^M×1光学开关路由成功光子；T-MUX利用光学环路存储光子，实现准确定性单光子生成；F-MUX借助非线性频率转换实现多模切换，具有固定插入损耗优势。实验已展示T-MUX方案在M=40时的准确定性生成（P_H1>98%），但开关损耗和探测器效率仍是关键限制因素。混合复用（如结合偏振和时间模式）可进一步提升模式数M。

**3.2 MUX of multi-photon generation**
多光子同步生成通过扩展MUX-HSPS实现：N个独立MUX-HSPS阵列的同步概率为P_G1^N，显著优于非复用情况。相对时间复用（R-T-MUX）通过协调各HSPS的宣告时序，提升了操作速率。集中式MUX方案（如MN×N开关网络）可进一步优化生成概率，但开关损耗对性能影响显著，需在低损耗开关（如η_s>0.9999）条件下才优于独立MUX方案。该技术对全光量子网络和光子量子计算具有重要意义。

**3.3 MUX of single-mode Fock state generation and photon-number manipulation**
光子数态（Fock态）可通过HSPS结合光子数分辨探测器（PNRD）宣告生成，并经由MUX提升概率。光子加减操作（如单光子加减）作为非高斯操作，在连续变量量子计算中至关重要。T-MUX方案通过将PU置于光学环路中重复操作，直至宣告成功，可实现准确定性光子加减。该方法可扩展至双模光子数纠缠态（如N00N态）的生成，用于量子增强计量。通过优化环路损耗和探测器效率，可逼近确定性操作。

**4 MUX of dual-rail state generation and quantum computing**
**4.1 Dual rail entanglement generation**
双轨编码是光子量子信息的标准方法，但贝尔态等纠缠态的生成涉及多个概率过程。MUX技术可提升各环节概率：MUX-HSPS准确定性制备单光子；通过“泄漏”（bleeding）技术实现两光子路由的确定性；利用辅助光子提升线性光学贝尔态测量（BSM）的成功概率（如增至1-1/2^N+1）。这些技术使贝尔态生成概率从非复用时的3p₁⁴/16提升至接近1。类似地，Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态生成可通过MUX泄漏和增强型融合实现概率提升。

**4.2 Photonic quantum computing: FBQC**
融合基量子计算（FBQC）是一种基于测量的架构，通过反复融合小尺度纠缠态构建簇态，并依赖MUX技术实现准确定性操作。资源态生成器利用MUX周期性地产生小尺度纠缠态，融合门（类型II）通过并行和串行复用实现大规模纠缠。MUX提升融合成功概率，使系统能容忍一定光子损失，并满足拓扑错误校正码的阈值要求。当前损耗（约1-2%每光子）仍高于容错阈值，但编码融合实验已展示对10%损耗的容忍度。

**4.3 MUX in other photonic quantum computing architectures**
频率域量子计算利用频率箱编码，与MUX高度兼容，可降低光学路径复杂度。连续变量（CV）量子计算中，Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）态生成依赖概率性非高斯操作，可通过S-MUX和T-MUX增强。CV-MBQC中，T-MUX用于生成大规模簇态，结合延时环路和分束器实现可扩展量子计算。MUX技术还应用于玻色采样等无需非线性的量子应用中，提升资源效率。

**5 Hardware developments**
**5.1 Basic single photon sources**
HSPS基于SPDC或SFWM，通过群速度匹配（GVM）和波导结构实现高亮度、低损耗和不可区分性。波导型HSPS（如薄膜铌酸锂（TFLN）平台）显著提升生成率。确定性量子点源虽能产生单光子，但源间不可区分性仍是挑战。新兴二维材料（如六方氮化硼（hBN））和碳化硅（SiC）色心为片上集成提供新途径。

**5.2 Photon detectors**
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高探测效率（>98%）、低时间抖动（<5ps）和高计数率（>1GHz），并可通过阵列实现伪光子数分辨。过渡边缘传感器（TES）作为真PNRD，探测效率>95%，但时间抖动较大（10-100ns）。超导微带和宽带单光子探测器（SMSPD/SWSPD）降低了纳米加工难度，并实现偏振无关操作。

**5.3 Optical switches**
电光调制器（EOM）基于Pockels效应，具有快速切换时间（1-10ns）和低插入损耗（<1%），是MUX的核心组件。全光非线性交叉相位调制（XPM）可实现皮秒级切换。空间开关（如马赫-曾德尔干涉仪）需保持量子态不变，偏振保持开关已用于偏振编码光子。频率开关借助差频产生（DFG）或BSFWM实现多模转换，但需抑制噪声。光学环路存储器基于低损耗开关，实现时间域复用。

**5.4 Integration**
光子集成回路（PIC）是MUX可扩展的关键平台。硅（Si）和氮化硅（SiN）分别提供高非线性和低损耗，薄膜铌酸锂（TFLN）支持高速EOM和明亮HSPS。PsiQuantum团队已实现SiN芯片上HSPS、EOM和SNSPD的集成，并展示钛酸钡（BTO）EOM的高电光系数。片上量子存储器（如光学环路和原子频率梳）用于前馈操作中的光子缓冲，总延迟受限于电子学响应速度和探测器本征延迟（约10ps）。混合集成是实现超低延迟、可扩展MUX系统的关键步骤。

**6 Conclusions**
MUX策略通过宣告和自适应光开关，将概率性非线性操作转化为准确定性过程，是克服光子量子信息可扩展性障碍的核心途径。尽管当前硬件性能（如开关损耗、探测器效率）仍需改进，但MUX技术已展示在单光子生成、纠缠态制备和量子计算架构中的巨大潜力。未来需进一步优化集成平台和低损耗组件，以实现大规模光子量子信息处理。