近日，南京大學(xué)物理學(xué)院馬小松、祝世寧教授團(tuán)隊(duì)利用面向量子光學(xué)研究的人工智能模型，基于光子的路徑全同性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生量子糾纏的新方法。與傳統(tǒng)糾纏交換方案相比，該方法無需預(yù)先制備糾纏態(tài)、無需貝爾態(tài)測量、甚至無需對(duì)所有輔助光子進(jìn)行測量，即可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光子間的糾纏生成。
量子糾纏是量子物理研究及量子技術(shù)應(yīng)用的核心資源，其產(chǎn)生途徑主要有兩種：一是粒子間直接的相互作用，二是基于量子糾纏交換（見圖1）。后者可以在沒有直接相互作用的獨(dú)立粒子間建立糾纏，但糾纏交換需要預(yù)先制備糾纏態(tài)和貝爾態(tài)測量。盡管糾纏交換在量子網(wǎng)絡(luò)中已得到廣泛應(yīng)用，但在沒有直接相互作用的條件下產(chǎn)生糾纏的其他方案仍未得到充分探索。近期，南京大學(xué)馬小松、祝世寧教授團(tuán)隊(duì)及其合作者提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于光子路徑全同性的糾纏建立（見圖2）。
圖1：量子糾纏交換
圖2：基于路徑全同性原理產(chǎn)生糾纏的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。探測器從路徑1，4上收集到一對(duì)糾纏態(tài)，使用綠色標(biāo)記表示。這兩條路徑中的粒子之間無直接相互作用。
一、人工智能賦能：發(fā)現(xiàn)新型量子糾纏建立方法
首先，該工作利用了高效的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架 PyTheus [Quantum 7, 1204 (2023)]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)光路的構(gòu)建。PyTheus是一個(gè)面向量子光學(xué)研究的人工智能模型。它通過圖的表示法將復(fù)雜的量子實(shí)驗(yàn)抽象化，支持自動(dòng)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化。PyTheus不僅可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)新的量子實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)新的量子現(xiàn)象，還能在多種量子信息處理場景中提升效率。
圖3：(a) 通過路徑全同性產(chǎn)生糾纏。 (b) 通過降低P2和P3的泵浦強(qiáng)度，可以在僅探測一個(gè)輔助光子（2）的情況下，建立Alice與Bob間的糾纏。該方案也可以等價(jià)為一個(gè)包含兩個(gè)雙光子源（P2, P3）和兩個(gè)單光子源（s1和s4）的實(shí)驗(yàn)。
通過 PyTheus設(shè)計(jì)的糾纏產(chǎn)生協(xié)議實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中，研究者制備了雙光子的偏振直積態(tài) |HV?（圖3(a)，由白色方塊表示的 P1-P4 光源產(chǎn)生），而非糾纏態(tài)。研究者通過交換來自P1和P2的輔助光子路徑，并使其分別與來自P4和P3的光子路徑重合，從而實(shí)現(xiàn)同路徑的輔助光子不可區(qū)分。同時(shí)，在路徑1和路徑4上的信號(hào)光子引入了不同的偏振模式，從而將原本的干涉過程轉(zhuǎn)化為糾纏產(chǎn)生過程，最終在 Alice 和 Bob 之間生成了偏振糾纏態(tài)（見圖4）。
這一方法不同于傳統(tǒng)糾纏交換，它依賴光子來源的不可區(qū)分性，而不是傳統(tǒng)的貝爾態(tài)測量。通過路徑的全同性，這一新機(jī)制成功實(shí)現(xiàn)了糾纏的生成。
圖4：(a)Alice與Bob間關(guān)聯(lián)函數(shù)結(jié)果。(b)Alice與Bob之間糾纏態(tài)的量子層析結(jié)果。
二、新方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與潛在價(jià)值
研究團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，這一方法的另一個(gè)顯著優(yōu)勢是：不需要探測所有輔助光子即可實(shí)現(xiàn)糾纏。研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)節(jié)光源 P2 和 P3 的產(chǎn)生效率（見圖3(b)），發(fā)現(xiàn)僅探測路徑2上的輔助光子即可實(shí)現(xiàn)糾纏產(chǎn)生。這一特性等效于使用兩個(gè)雙光子源（P2 和 P3）與兩個(gè)概率性的單光子源（路徑1和路徑4上的 s1 和 s4）的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
這一研究挑戰(zhàn)了長期以來的傳統(tǒng)觀念——在獨(dú)立粒子間建立糾纏必須依賴預(yù)先生成的糾纏態(tài)和Bell測量。這種新方法不僅降低了光子源的復(fù)雜性，還減少了量子網(wǎng)絡(luò)中所需的資源，為構(gòu)建更高效的量子信息系統(tǒng)提供了新思路。同時(shí)，該研究充分展示了人工智能工具在推動(dòng)量子科學(xué)研究中的強(qiáng)大潛力與廣闊前景。
這一研究成果以“Entangling Independent Particles by Path Identity”為題，發(fā)表在 Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 133, 233601 (2024)]。這是馬小松、祝世寧教授團(tuán)隊(duì)繼在量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)中成功觀測光量子的波動(dòng)性與粒子性的相干疊加 [Nat. Photonics 13, 872-877 (2019)]，以及非局域的多光子量子干涉 [Nat. Commun. 14, 1480 (2023)] 后，在量子物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)的又一重要工作。南京大學(xué)物理學(xué)院副研究員王凱和侯兆華博士為論文共同第一作者，馬小松教授和德國馬普所的 Mario Krenn 教授為通訊作者。南京大學(xué)祝世寧院士對(duì)該工作進(jìn)行深入指導(dǎo)。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金前沿技術(shù)計(jì)劃、中央高?；A(chǔ)研究基金和量子科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃等基金項(xiàng)目的資助。同時(shí)這項(xiàng)工作得到了南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理研究中心和合肥國家實(shí)驗(yàn)室的支持。
原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233601
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