纠缠对于量子位和连续变量区域中的许多量子信息协议是必不可少的

量子信息协议基于各种纠缠模式，如Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)，Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)和其他集群国家。对于按需准备，这些状态可以用光学中的压缩光源来实现，但是这样的实验缺乏通用性，因为它们需要各种光学电路来单独地实现不同的缠结状态。在最近的一项研究中，日本应用物理与工程跨学科的Shuntaro Takeda及其同事通过开发按需纠缠合成器解决了这个缺点。使用实验装置，物理学家可以通过单个压缩光源可编程地产生纠缠态。

在工作中，他们使用基于环路的电路动态控制在纳秒时间尺度来处理时域中的光脉冲。科学家们在一次设置中生成并验证了五种不同的小尺度纠缠态和一个包含1000多种模式的大型集群，而无需改变光路。由Takeda等人开发的电路。可以存储和释放所生成的纠缠态的一部分以用作量子存储器。发表在Science Advances上的实验报告将开辟一种使用可扩展量子处理器按需构建通用纠缠合成器的新方法。

纠缠对于量子位和连续变量(CV)区域中的许多量子信息协议是必不可少的，其中它们执行各种应用。例如，双模式Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)状态是最常用的最大纠缠态，作为两方量子通信的构建块和基于量子隐形传态的量子逻辑门。该状态的广义版本是建立量子网络的n模式Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)状态，其中GHZ量子态可以在n个参与者之间共享。例如，n个参与者可以彼此通信以进行量子秘密共享。对于另一方面，量子计算被称为簇状态的特殊类型的纠缠作为允许单向量子计算的通用资源已经引起了很多关注。

目前用于确定性地制备光子纠缠态的最方便和最成熟的方法涉及使用分束器网络混合压缩光以在连续变量(CV)方案中产生纠缠。物理学家最近通过挤压在时域或频域中复用的光源来证明大规模纠缠态。该方法不是通用的，因为它们必须设计各种光学装置以产生特定的缠结状态。物理学家先前已经报道了使用后处理测量或通过后处理测量的多模量子态中几种类型的纠缠的可编程表征改变测量的基础。因此，在单个框架内以可编程的，确定的方式直接合成各种纠缠状态仍然是一项具有挑战性的任务。

在本实验中实际生成和验证的纠缠类型。橙色球体代表量子模式。连接两种模式的蓝色箭头表示连接的节点可以通过使用纠缠来彼此通信。连接两种模式的布朗链接意味着在这些模式之间应用用于生成簇状态的纠缠门。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

在目前的工作中，Takeda等人。提出了一种按需光子合成器，可编程产生一组重要的纠缠态，以解决现有的挑战，包括 -

时域中处理光脉冲。使用该电路，科学家们验证了各种纠缠态的可编程生成。该设置还可以存储和释放所生成的纠缠状态的一部分以用作量子存储器。这种新方法为光子量子信息可加工性提供了一条有前途的途径，其中包括可扩展性和可编程性。

按需纠缠合成器的示意图。(A)概念示意图。(B)改变系统参数的时间顺序。(C)等效电路。(D)实验装置。有关详细信息，请参阅材料和方 “H”和“V”分别表示水平和垂直极化。OPO，光参量振荡器; PBS，偏振分束器; QWP，四分之一波片; EOM，电光调制器; LO，本地振荡器。(E)分束器透射率T(t)的实际控制。绘制测量(蓝线)和理想(黑点线)响应。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

当形成纠缠合成器的概念时，科学家们使用单个压缩器在研究中依次产生压缩光脉冲。他们将脉冲注入环路，其往返时间(τ)等于脉冲之间的时间间隔。该环路包括具有可变透射率 T(t)的分束器和具有可变相移θ(t)的移相器 - 其中t表示时间。在通过环路传输后，科学家们使用可调测量基准将脉冲指向零差检测器。该电路可以从压缩脉冲合成各种纠缠态，用于后续分析。

为了证明可编程纠缠的产生，科学家们首先对合成器进行了编程，以产生五种不同的小规模纠缠态。这些包括(1)EPR状态，(2)三模式GHZ，(3)双模式簇状态，以及(4)一对三模式簇状态。为了验证纠缠状态，科学家将时间模式函数应用于零差信号(波函数转换为电信号)并提取宽带光脉冲的正交以评估不同脉冲之间的相关性。

他们使用与有效挤压水平直接相关的不可分离性参数来量化相关强度。科学家能够获得结果，其中值满足研究中得出的不可分性标准，以证明可编程生成五种不同的纠缠态。他们使用压缩光产生期间的累积损耗，环路中和测量期间的纠缠合成来解释这些值。

生成一维簇状态。(A)示意图。(B)前15种模式的单次测量。测量奇数(偶数)模式的x ^ k(p ^ k)并绘制为红色正方形(蓝色圆圈)。(C)p ^ k(蓝色圆圈)和x ^ k-1 + x ^ k + 1(红色菱形)之间的比较。(D)对于(i)真空状态(作为参考;黑点)和(ii)簇状态(蓝点)的无效值<δ^ k2>的测量方差。每个方差的SE约为0.01，始终低于0.03。黄色阴影区域代表不可分割的区域。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

然而，由于驱动电路的电光(EOM)调制器的设计限制，实验装置无法合成超过三模式的GHZ和簇状态。因此，科学家们的目标是开发更复杂的驱动电路或构建级联的多个EOM，以增加可选择的透射率值的数量，并在下一步产生各种GHZ和簇状态。

纠缠合成器还可以产生大规模纠缠态以实现高可扩展性; 以一维簇状态显示。由科学家开发的电路等同于先前提出的簇状态生成，并且此后由Yokoyama等人证明。在目前的工作中，科学家们为超过1000种纠缠模式产生了一维聚类状态。由于技术限制，科学家们只能在实验中测量1008种模式。然而，原则上，该方法对可以生成的纠缠模式的数量没有理论限制。

与Yokoyama等人的先前方案相比，科学家无法直接比较这些聚类状态的质量。因为本发明的基于环路的方案易受由于实验装置中的附加光学元件引起的损耗的影响。环路中基于分量的损耗包括可变分束器和移相器，当光脉冲重复循环设置时，这导致损耗累积。

武田等人。通过将光脉冲限制在可编程环路中，也形成了量子存储器。尽管将可调延迟添加到非经典CV状态的能力可能在各种量子协议中的时间同步中起关键作用，但物理学家迄今为止仅针对纠缠连续变量(CV)状态进行了一些量子记忆实验。

在循环中存储EPR状态的一部分。(A)控制顺序。(B)测量的不可分性参数<[Δ(x1-x2)] 2> + <[Δ(p1 + p2)] 2>对于每个延迟nτ绘制SE(τ= 66 ns，n = 1,2，... ，11)。黄色阴影区域代表不可分割的区域。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aaw4530

虽然基于环路的量子存储器是一种简单且通用的存储器，其不限制光的波长或量子状态，但它之前仅针对单光子显示。武田等人。通过在循环中生成EPR状态并为n循环存储EPR状态的一部分然后最终释放它来演示当前工作中的功能。科学家可以通过增加环路或反馈系统的机械稳定性来稳定量子态，从而延长设置中量子记忆的寿命。他们能够将任何CV量子态存储在基于环路的存储器中，并且还通过将压缩器改变为其他量子光源来包括非高斯状态。

通过这种方式，Takeda等人。可编程地生成并验证小规模和大规模纠缠态，并动态控制分束器的透射率，基于环路的光学电路的相移和测量基准，纳秒级时间尺度。他们通过在循环中存储部分EPR状态来演示电路的量子存储容量。该系统具有可编程性和高度可扩展性，为未来的光子量子技术提供了独特的多功能工具。

武田等人。设想将该环路电路嵌入更大的环路中以实现嵌套的任意分束器网络，该网络组合输入压缩脉冲以合成任意簇状态。他们还预见到通过包括基于零差检测器信号和非高斯光源的可编程位移算子，将该电路扩展到通用量子计算机。新网络将成为实现这些目标的重要基础，并激发光子量子信息处理的额外理论和实验研究。