100光子的分辨率和无偏随机数的量子生成

实验设置。脉冲源均匀地分成三段，每段耦合到过渡边缘传感器检测器通道。图片来源：美国能源部杰斐逊实验室和弗吉尼亚大学
核物理和量子信息专家已经展示了光子数解析系统的应用，该系统可以精确解析100多个光子。这一壮举是量子计算开发工作能力向前迈出的重要一步。它还可能实现真正随机数的量子生成，这是为军事通信和金融交易等应用开发牢不可破的加密技术的长期目标。该探测器最近在Nature Photonics上报道。
世界各地的物理学家都在热切地追求可靠和强大的量子计算的承诺。利用量子计算不仅预示着科学的巨大飞跃，而且还将提升经济并增强国家安全。但到目前为止，地球上最好的大脑还没有到达那里。
美国能源部托马斯杰斐逊国家加速器设施的两位工程师设计了光子探测系统的关键部分，使物理学家更接近完全可操作的基于光子学的量子计算 - 即完全由光构建的量子计算机。这些工程师是由杰斐逊实验室领导的联邦和学术研究人员跨学科团队的一部分，他们致力于推进核物理中的量子计算。
有许多不同的方法可以尝试制造功能齐全的量子计算机。对于基于光子学的计算，光粒子或光子的量子检测至关重要。目前，单个探测器可以分辨多达10个光子，但对于许多量子态生成方法来说，这个数字太小了。目前还没有人证明探测到超过16个光子，但模拟表明，量子计算将需要探测大量的光子——50个或更多。
弗吉尼亚大学量子计算和量子光学研究团队成员兼研究生助理Amr Hossameldin解释说，跨越50光子的阈值意味着能够实现一个“立方门”——为通用量子计算建立一个完整的门集的里程碑。
该团队超越了16个光子的记录，并展示了每个单个探测器约35个光子计数，并使用三探测器系统达到了100个光子。
“他们可以预测他们正在以这种极其精确的分辨率解析100个影响探测器的光子，”杰斐逊实验室高级科学家兼理论和计算物理副主任罗伯特爱德华兹说，“这是超级准确的 - 这是从未实现过的。
“缺乏检测一直是这种量子计算方法的主要限制。新的光子数分辨率是实现通用指令集的必要步骤，“他继续说道。
新的检测系统还有另一个非常有价值的次要好处：量子生成真正的随机数 - 在军事通信和金融交易等领域对牢不可破的密码或加密有利。
由经典计算机算法生成的所谓随机数并不是真正的随机数。它们生成的算法可以通过玩数字游戏来破坏 - 寻找哪些数字比其他数字更频繁地弹出。使用量子物理学进行真正的随机数生成没有这样的缺陷或偏差。
“量子力学中有一种内在的随机性，你可以拥有一个同时处于两种状态的物理系统，”UVa的物理学教授Olivier Pfister解释说，他专门研究量子场和量子信息，并担任该项目的外部团队负责人。“当你想知道它是哪个时，它是随机的。
“爱因斯坦对此感到困惑。他称之为“与宇宙玩骰子的旧者”。我们没有比爱因斯坦更了解的了。
Pfister和Hossameldin是介绍该团队研究的论文的共同作者。其他作者是来自杰斐逊实验室的Chris Cuevas和Hai Dong，来自纽约空军研究实验室的Richard Birrittella和Paul Alsing，来自UVa的Miller Eaton和纽约市立大学的Christopher C. Gerry。

以前从未见过的信号

该团队的努力受到美国能源部科学办公室2019年公告的启发，该公告为量子视野计划下的核物理量子信息科学研究提供资金机会。爱德华兹获得了一笔小额赠款，用于资助一个系列讲座，邀请量子计算专家。
菲斯特是2020年3月的第一位讲师。一周后，COVID-19 大流行关闭了实验室，但联合研究基于光子学的量子计算的种子已经播下。
组建了一个由物理学家、工程师和博士后组成的庞大团队。合作开始的目标是使用量子光子学进行与杰斐逊实验室科学计划相关的计算。
UVa已经有一个基于光子的系统，用于使用脉冲激光进行量子计算，但缺乏在信号衰减之前以极快的速度和精度检测影响其探测器的光子数量的方法。
同时，快速准确地检测粒子是杰斐逊实验室的强项。它的连续电子束加速器设施（CEBAF）几十年来一直用于实验，这些实验依靠超灵敏的探测器来测量粒子束以接近光速撞击目标时产生的一连串转瞬即逝的亚原子粒子。CEBAF是美国能源部科学办公室的用户设施，可供1，850多名核物理学家访问以进行研究。
在位于UVa的Pfister量子光学实验室的团队实验中，Hossameldin将三个超导过渡边缘传感器（TES）设备连接起来，制成一个探测器，每个TES设备能够看到35个光子，并将它们放在激光前面并打开光束。
由杰斐逊实验室的Dong设计和开发的高速数字化仪是探测器电子设备的关键部分。
“TES原始数字化仪不具备我们设计中包含的高速功能，”Cuevas说。“我们的数字化仪具有 12 位精度和 4ns 采样时间，因此这使我们能够从 TES 捕获以前从未见过的信号。”
量子计算的研究正在以指数级的速度发展，奎瓦斯预测新技术将很快取代他们的系统。但是，建造基于光的量子计算机的更大合作仍在继续。
“该项目是一个很好的例子，设计可以重复使用并应用于完全不同的科学应用，”奎瓦斯说。“共享技术是科学界的核心基础，作为电子工程师，知道我们的设计可以进一步取得重要发现是令人兴奋的。
更多信息：米勒·伊顿等人，100 个光子的分辨率和无偏随机数的量子生成，自然光子学 （2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01105-9