研究人员首次展示了一种利用单光子灵敏度绘制和测量大尺度光子量子相关的方法。测量数千个量子相关实例的能力对于使基于光子的量子计算变得切实可行至关重要。

　　在Optica，光学学会的高影响力研究期刊中，一个多机构研究小组报告了新的测量技术，称为空间映射光子水平图像(COSPLI)的相关性。他们还开发了一种方法来检测来自单个光子的信号及其在数千万个图像中的相关性。

　　“COSPLI有可能成为在大型光子量子计算机中进行量子粒子测量的通用解决方案，”来自中国上海交通大学的研究团队负责人Xian-Min Jin表示。“这种独特的方法对量子模拟，量子通信，量子传感和单光子生物医学成像也很有用。”

　　相互作用的光子

　　量子计算技术有望明显快于传统计算，传统计算读写的数据编码为零或一位。量子计算不使用比特，而是使用可以同时处于两种状态并且将彼此交互或相关的量子比特。这些量子比特可以是电子或光子，允许同时执行许多过程。

　　量子计算机开发中的一个重要挑战是找到一种方法来测量和操纵处理极大数据集所需的数千个量子位。对于基于光子的方法，通过增加以每个光子测量的光子自由度(例如，偏振，频率，时间和位置)编码的模式的数量，可以在不使用更多光子的情况下增加量子位的数量。这允许每个光子同时表现出两种以上的模式或状态。研究人员之前使用这种方法制造了世界上最大的光子量子芯片，它可以拥有相当于数千个量子比特的状态空间。

　　然而，将新的光子量子芯片结合到量子计算机中需要在单光子水平上测量所有模式及其光子相关性。到目前为止，实现这一目标的唯一方法是对每个光子展示的每种模式使用一个单光子探测器。这将需要数千个单光子探测器，并且单台计算机的成本约为1200万美元。

　　“用单光子探测器同时解决数千种模式在经济上是不可行和技术上的挑战，”Jin说。“这个问题代表了实现大规模光子量子计算机的决定性瓶颈。”

　　单光子灵敏度

　　尽管市售的CCD相机对单光子敏感并且比单光子探测器便宜得多，但是来自单个光子的信号经常被大量噪声遮挡。经过两年的研究，研究人员开发出抑制噪声的方法，以便可以用CCD相机的每个像素检测单个光子。

　　另一个挑战是确定单个光子的偏振，频率，时间和位置，每个光子都需要不同的测量技术。使用COSPLI，来自其他模式的光子相关性全部映射到空间模式，这允许使用CCD相机测量所有模式的相关性。

　　为了证明COSPLI，研究人员使用他们的方法来测量1000万个图像帧中相关光子的联合光谱。重建光谱与理论计算吻合良好，从而证明了测量和映射方法以及单光子检测的可靠性。研究人员正在努力将系统的成像速度从每秒数十帧提高到数百万帧。

　　“我们知道建立一台实用的量子计算机非常困难，目前尚不清楚哪种实施方式最好，”金说。“这项工作增加了信心，即基于光子的量子计算机可能是一条实用的前进路线。”