交叉信息研究院科研团队在光子图态的可扩展生成研究中取得重要进展，率先在实验上展示了兼具确定性和可编程性的光子融合操作。研究团队在飞行微波光子平台上，利用超导量子电路将小规模光子纠缠资源态确定性地连接成规模更大、连接结构可编程的光子图态，并实现了13个光子量子比特的真多体纠缠。
多光子图态是测量型量子计算、量子通信、量子精密测量等领域的重要资源。目前，光子图态主要通过自发参量下转换（SPDC）光源或量子发射器制备：SPDC技术较为成熟，但其内在的概率性导致图态成功制备概率随光子数增加迅速降低；量子发射器能够按需产生多光子纠缠态，但直接生成大规模且具有复杂连接结构的图态，通常需要多个相互作用的量子发射器，并受到发射器相干时间的限制。融合操作为此提供了一种“分而治之”的方案，即先制备多个小规模光子纠缠态，再将它们连接成更大的图态。然而，现有融合方案主要依赖线性光学中的双光子干涉和投影测量，具有概率性，成功率通常不超过50%，同时对光子的模式匹配要求严格。
图1.基于确定性融合可扩展生成微波光子图态的方案
为解决这些问题，研究团队提出了一种基于超导量子电路的确定性融合操作方案，并构建了由单光子发射器和量子非破坏（QND）探测器组成的实验系统。单光子发射器按需产生时分编码的飞行微波光子量子比特，QND探测器则通过宇称测量将两个飞行光子量子比特非破坏性地投影至贝尔态。探测器的不同测量结果仅改变融合光子的编码子空间，而不会改变融合后的图态连接关系，因此每次测量均对应成功的融合操作，无需筛选特定测量结果。实验中，研究团队将两个初始不相关的光子量子比特融合为贝尔态，在QND探测器的两种测量结果下分别获得89.94%和88.16%的贝尔态保真度，验证了融合操作的确定性。在此基础上，研究团队利用QND探测器的频率选择性，通过原位调节微波光子的频率，选择需要参与融合的光子量子比特，从而实现对图态连接关系的编程。基于该方案，研究团队进一步生成了五顶点环形图态，验证了融合操作的可编程性。
图2.确定性与可编程融合的实验结果
为了扩展纠缠态规模，研究团队利用同一个量子发射器依次产生多个小规模光子簇态，再通过重复融合将它们连接起来。通过在相邻资源态的生成和融合操作之间，分别重置并复用单光子发射器和QND探测器中的物质量子比特，可以将误差限制在较小的图态片段中，减弱物质量子比特相干时间对纠缠规模的限制。基于这一方案，研究团队将包含4个、5个和4个光子量子比特的三个簇态连续融合，生成了一个包含11个顶点、由13个光子量子比特冗余编码的一维线性簇态，并在其中一个测量分支中通过稳定子测量验证了真多体纠缠。
图3.基于重复融合的可扩展光子图态生成
该工作突破了传统光子融合的概率性瓶颈，建立了兼具确定性、可编程性和可扩展性的光子图态生成框架，为测量型量子计算和量子网络提供了新的技术路径。
相关成果以“面向光子图态可扩展生成的确定性与可编程融合”（Deterministic and Programmable Fusion for Scalable Generation of Photonic Graph States）为题，于9月30日在线发表在《自然·物理》（Nature Physics）期刊。
交叉信息研究院2020级博士生李严、2024级博士生杨云帆为论文共同第一作者，张宏毅副研究员和段路明院士为通讯作者。
该项目得到了科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金、清华大学自主科研计划及教育部的资助与支持。
