4、使用机器学习设计量子光学实验装置

使用机器学习设计量子光学实验装置

1 引言

在科学研究中，创建有效的实验装置是至关重要的一步。特别是在量子光学领域，实验装置的设计尤为复杂，因为量子系统的特性往往难以直观理解。近年来，随着机器学习技术的发展，尤其是强化学习的应用，科学家们开始探索如何借助这些先进的技术来优化实验装置的设计。本文将探讨如何使用强化学习创建实验装置，重点介绍量子光学问题的设定、光子态的制备以及使用投影模拟（Projective Simulation, PS）创建实验装置的具体方法。

2 量子光学问题设定

2.1 双系统纠缠

量子纠缠是量子力学中一个非常重要的概念，它描述了多个粒子之间存在的一种特殊关联。对于双系统纠缠，我们主要关注两个粒子之间的纠缠状态。具体来说，两个粒子的状态可以表示为：

[
|\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{3}} \left( \sum_{m=-1}^{1} |m\rangle_a |-m\rangle_b \right)
]

这里，$|m\rangle_a$ 和 $|-m\rangle_b$ 分别表示路径a和路径b上的光子态，m是光子的轨道角动量（OAM）值。通过这种方式，我们可以创建一个最大纠缠态。

2.2 多系统纠缠

多系统纠缠比双系统纠缠更加复杂。为了描述三部分系统ABC之间的纠缠，我们需要引入施密特秩向量（SRV）。SRV是一个三维向量，其分量对应于系统不同二部分分割的施密特秩。例如，对于三部分系统，我们可以定义SRV为(3, 3, 2)或(3, 3, 3)，表示不同分割之间的纠缠维度。具体来说，目标是创建具有SR