直播開講 精彩不停

2025年7月30日下午，電子科技大學科學基礎與前沿研究院量子物理與工程實驗室蔡淇智博士做客追光智匯直播間，帶來了一場基于腔光力系統(tǒng)的量子糾纏理論及應用研究的精彩之旅。

腔光力系統(tǒng)因其獨特的光力相互作用機制，成為探索量子物理基本問題和推動量子信息技術發(fā)展的重要平臺。其中，量子糾纏——尤其是連續(xù)變量量子糾纏，以其抵抗退相干能力強、自由度豐富等優(yōu)勢，在量子信息技術中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。目前，基于腔光力系統(tǒng)的量子糾纏研究沿兩個維度迅速發(fā)展：在單系統(tǒng)層面，通過建立多個模式之間的耦合并提高系統(tǒng)集成度，以構建高集成度的多模糾纏源；在復合系統(tǒng)層面，構筑不同物態(tài)之間的異質耦合體系，以實現(xiàn)糾纏維度的拓展。納米梁光子晶體憑借其較高的單光子光力耦合和高度集成等優(yōu)勢，正成為高集成度腔光力系統(tǒng)研究的前沿，然而，對于其所涉及的多模糾纏機理及器件設計方案，目前仍缺乏深入系統(tǒng)的研究；另一方面，新興的激子腔光力系統(tǒng)以及腔磁子系統(tǒng)作為典型的復合量子系統(tǒng)，其量子糾纏特性亟待系統(tǒng)性探究。結合上述的發(fā)展趨勢與研究中有待完善的環(huán)節(jié)，本次報告分別從腔光力系統(tǒng)原理推導、設計應用和實際應用展開，論述了多種模式下腔光力系統(tǒng)的不同糾纏方案及應用潛力。

彈幕答疑 實時互動

Q：報告提到研究了“腔內光力模式的兩體糾纏”和“腔外行波光學模式的兩體糾纏”。這兩種糾纏的產生機制和特性有何本質不同？腔外行波模式的糾纏在量子信息處理中可能具有哪些獨特優(yōu)勢？

A：腔內糾纏研究的是單個納米梁中光學諧振模式與力學諧振模式之間的直接耦合。這種糾纏的對數(shù)負性典型值為0.001至0.03，數(shù)值相對較小。由于糾纏態(tài)存在于腔內模式之間，其應用受到空間局域性的限制。 腔外行波從數(shù)學上來說，是通過量子光學中的輸入-輸出公式，將腔內場與輸入噪聲耦合得到輸出場；從物理上來說，就是從腔中泄露出的光場。這種腔外糾纏的對數(shù)負性通常比腔內糾纏大一到兩個數(shù)量級。 腔外行波糾纏在量子信息處理中的獨特優(yōu)勢在于，輸出的糾纏光場為行波模式，可直接通過標準光纖傳輸，無需額外的模式轉換。因此該糾纏資源特別適合構建分布式量子網絡節(jié)點，因為光學輸出場可以直接與現(xiàn)有光通信基礎設施兼容。

Q：研究涉及了納米梁、激子系統(tǒng)、腔磁子系統(tǒng)等多種異質復合系統(tǒng)。在描述這些不同物態(tài)間的量子糾纏時，是否存在一個統(tǒng)一的理論框架或核心模型？還是需要針對每種耦合類型發(fā)展特定的理論工具？不同系統(tǒng)糾纏特性的可比性如何？

A：的確是存在一個統(tǒng)一的理論框架或核心模型，即： ①基于廣義腔光力哈密頓量的統(tǒng)一描述； ②量子朗之萬方程的普適性； ③高斯態(tài)和協(xié)方差矩陣方法的通用性； ④輸入-輸出理論的廣泛適用性； 因此只要是玻色模式，則不需要針對每種耦合類型發(fā)展特定的理論工具。 至于可比性，還是需要將各個系統(tǒng)的設定參數(shù)代入模型，得到例如對數(shù)負性的糾纏度量，然后則可以比較糾纏大小。

Q：您在納米梁系統(tǒng)和激子腔光力系統(tǒng)中研究三體糾纏時，采用了哪種具體的糾纏度量？為什么選擇該度量？您提到將方法“推廣”至激子系統(tǒng)，這種推廣在理論和計算層面面臨哪些調整或困難？

A：在納米梁系統(tǒng)和激子腔光力系統(tǒng)中研究三體糾纏時，我采用了最小殘余糾纏度（Minimum Residual Entanglement）作為度量。選擇這個度量的原因有三點：第一，它能夠區(qū)分真正的三體糾纏與雙體糾纏的組合；第二，在實驗上可通過測量協(xié)方差矩陣來獲得；第三，當最小殘余糾纏度大于零時，可以確保存在不可分解的三體關聯(lián)，這是一個充分條件。 將這種方法推廣至激子系統(tǒng)，在計算層面的主要困難是需要精確調整激子模式與光學模式的失諧參數(shù)。當失諧選擇不當時，系統(tǒng)無法產生穩(wěn)態(tài)的三體糾纏。這需要在參數(shù)空間中進行細致的搜索和優(yōu)化。在理論層面，推廣過程相對直接——關鍵是識別激子系統(tǒng)與腔光力系統(tǒng)的共性，然后應用相似的動力學處理方法。

Q：您展示了腔磁子系統(tǒng)產生的光-微波糾纏在量子照明應用中的“優(yōu)越性”。這種優(yōu)越性具體體現(xiàn)在哪些性能指標上？是否有定量的理論分析或模擬結果來支撐這一結論？

A:性能指標優(yōu)勢主要為目標探測錯誤率：在相同出射能量下，顯著低于經典相干光方案和腔光力方案 定量支撐： ①仿真顯示錯誤概率-出射能量曲線中，腔磁子方案始終優(yōu)于經典最優(yōu)方案以及腔光力系統(tǒng)方案； ②歸一化的量子資源度量（Cauchy-Schwarz、對數(shù)負性、量子失協(xié)）均超過腔光力系統(tǒng)。

蔡淇智博士畢業(yè)于電子科技大學基礎與前沿研究院，研究領域為量子信息，研究方向為腔光力系統(tǒng)中的量子糾纏產生及應用。本次報告首先以納米梁光子晶體腔光力系統(tǒng)作為研究對象，分別從器件設計、動力學行為描述以及糾纏度量三個層面，遞進地介紹了在單個納米梁腔內光力模式的兩體糾纏、腔外行波光學模式的兩體糾纏、腔內光學模式的三體糾纏方面的研究內容，并進一步將三體糾纏的研究方法推廣至激子腔光力系統(tǒng)，研究了腔內激子模式之間的三體糾纏?；谏鲜隼碚撗芯糠椒ǎ榻B了在腔磁子系統(tǒng)中光與微波糾纏的產生方案，并展示了該量子資源在量子照明應用中的優(yōu)越性

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