近日，以首届“致远荣誉计划”毕业生孙轲（物理学方向）为第一作者的学术论文“Mapping and Measuring Large-scale Photonic Correlation with Single-photon Imaging”在光学权威期刊Optica发表。Optica是美国光学学会（The Optical Society of America，OSA）旗下最高影响因子期刊（7.5）。该成果发表后，立即获得同行专家的高度关注，OSA以“Researchers Move Closer to Practical Photonic Quantum Computing”为题在官网首页进行了置顶报道，美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science， AAAS）、美联社（The Associated Press）、每日科学（Science Daily）和Phys.org等国际媒体也在第一时间进行了跟踪报道。该工作由孙轲主持，我校物理与天文学院特别研究员、致远创新研究中心（ZIRC）量子通信计算平台责任教授金贤敏指导，在第一期“致远学者研究计划”的资助下完成。

本项研究工作在单光子成像技术的基础上，开发了一种名为Correlation on spatially-mapped photon-level image (COSPLI)的技术，首次实现了大规模量子关联测量，突破了光量子计算机的探测瓶颈问题。如何同时操纵和测量数千个量子比特一直以来是开发量子计算机的一大重要挑战。在前期研究中，金贤敏实验组通过对可测量光子自由度（例如偏振，频率，时间和位置）进行编码并增加其数量的方法，实现了在不使用更多光子的情况下增加量子比特的数量，制造了世界上最大的光子量子集成芯片（http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaat3174）。它可以拥有相当于数千个模式的量子比特的状大规模量子态空间。但是这种编码方式要求研究人员在单光子层面上同时进行数千个模式的测量。以往使用单光子探测器进行逐一测量方法仅适用于十数个模式的实验，但对于数千个模式来说，仅单光子探测器就会花费超过亿元，更不用提对数千个探测器进行记录和快信号处理了，显然这一方法在经济上和技术上都是不可行的。

为了解决这一科学难题，孙轲以“面向大尺度量子计算的大规模光子关联测量获取与处理”为题，在顾问导师金贤敏的指导下，进行了为期两年的研究，探索出了一种利用单光子级ICCD同时测量数千个模式的量子比特的全新方法。在研究过程中，孙轲与顾问导师金贤敏充分讨论，共同设计实验方案，梳理实验思路；与团队成员曹明明（2018届，物理学方向）、刘煜（2018届，物理学方向）、杨闰哲（2018届，计算机科学方向）和高振威（2017届，物理学方向）合作设计实验装置、搭建实验平台，使用机器学习等方法编写处理实验数据的程序。在项目中期汇报之际，孙轲团队完成了芯片上关联测量的测试实验，找到了使用ICCD“看到”单光子的方法。随后，金贤敏提出了一系列基于此技术的研究方向，经过反复商讨最终决定了“测量双光子的频率关联”的方案。由于单光子的能量十分微弱，甚至低于环境噪声，所以需要强力的降噪手段以及大量的数据来得到正确的结果。为了不打扰实验室的其他实验，孙轲团队坚持每天及时与导师讨论前一天的测量结果，并从晚上十点开始新实验，通过修改实验平台参数，彻夜采集新数据，保证在第二天早上八点完成数据采集，利用白天时间在工作站上处理数据。为了找到最高效的方式、收集足够的有效数据，这一过程持续了两个月。最终他们成功使用约一千万张照片数据绘制出了符合统计标准的频率关联图像。

该项目顾问导师金贤敏表示：“我们知道建立一个实用的量子计算机非常困难，目前尚不清楚哪种实现方式是最好的，但这项工作增加了我们的信心，即基于光子的量子计算机可能是一条实用的前进路线。”

相关链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-3-244

https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/researchers_move_closer_to_practical_photonic_quan/

供稿：孙轲、金贤敏、周莲