6、光子量子信息编码与操作全解析

光子量子信息编码与操作全解析

1. 光子量子信息编码

1.1 光子测量与单光子实验

在量子信息实验里，通过参量下转换产生相关光子对后，可进一步对其进行编码用于实验。光子测量指的是检测生成的光子并研究其统计特性。在实验中，会使用单光子雪崩探测器或超导纳米线单光子探测器，将单个光子转换为具有极窄时域分布的电信号来进行检测。这样就能记录一段时间内到达探测器的光子总数以及每个光子的到达时间。

在使用光子对的实验中，会进行符合测量。即两个探测器分别检测两个光子，只考虑到达时间相同（或因固定光程/电路长度差导致固定延迟）的光子之间的统计相关性。因为只有到达时间相同的光子才来自同一参量下转换过程，所以它们可用理论预期的量子态来描述，仅一个光子到达的测量结果会被舍弃。借助量子态层析和量子过程层析等技术，可分析到达光子的量子态及其演化的相关信息。

传统上，若仅用一个光子进行所有操作，另一个光子会立即由单光子计数探测器检测，利用符合计数获取光路中演化光子的统计特性，这种技术称为 heralded single - photon。不过，这种方法得到的光子演化在大多数情况下与使用衰减激光进行单光子计数难以区分，其优势仅在于排除探测器无光子时暗计数的影响。由于单光子探测器每秒约产生 80 个暗计数，所以在单光子实验中使用衰减激光或固态缺陷产生的光子，几乎不会影响实验精度。

1.2 光子自由度

物理系统利用不同自由度来编码量子信息。自由度是指物理系统中可取值不同的物理量，宏观上包括位置和动量，微观上包括原子中电子的能级和角动量。光子具有丰富的自由度，例如：
- 本征偏振决定光子携带的电场方向。
- 轨道角动量决定波函数的