直播開(kāi)講 精彩不停

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

腔光力系統(tǒng)因其獨(dú)特的光力相互作用機(jī)制，成為探索量子物理基本問(wèn)題和推動(dòng)量子信息技術(shù)發(fā)展的重要平臺(tái)。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(qiáng)、自由度豐富等優(yōu)勢(shì)，在量子信息技術(shù)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，基于腔光力系統(tǒng)的量子糾纏研究沿兩個(gè)維度迅速發(fā)展：在單系統(tǒng)層面，通過(guò)建立多個(gè)模式之間的耦合并提高系統(tǒng)集成度，以構(gòu)建高集成度的多模糾纏源；在復(fù)合系統(tǒng)層面，構(gòu)筑不同物態(tài)之間的異質(zhì)耦合體系，以實(shí)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(shì)，正成為高集成度腔光力系統(tǒng)研究的前沿，然而，對(duì)于其所涉及的多模糾纏機(jī)理及器件設(shè)計(jì)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(fù)合量子系統(tǒng)，其量子糾纏特性亟待系統(tǒng)性探究。結(jié)合上述的發(fā)展趨勢(shì)與研究中有待完善的環(huán)節(jié)，本次報(bào)告分別從腔光力系統(tǒng)原理推導(dǎo)、設(shè)計(jì)應(yīng)用和實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)，論述了多種模式下腔光力系統(tǒng)的不同糾纏方案及應(yīng)用潛力。

彈幕答疑 實(shí)時(shí)互動(dòng)

Q：報(bào)告提到研究了“腔內(nèi)光力模式的兩體糾纏”和“腔外行波光學(xué)模式的兩體糾纏”。這兩種糾纏的產(chǎn)生機(jī)制和特性有何本質(zhì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)？

A：腔內(nèi)糾纏研究的是單個(gè)納米梁中光學(xué)諧振模式與力學(xué)諧振模式之間的直接耦合。這種糾纏的對(duì)數(shù)負(fù)性典型值為0.001至0.03，數(shù)值相對(duì)較小。由于糾纏態(tài)存在于腔內(nèi)模式之間，其應(yīng)用受到空間局域性的限制。 腔外行波從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，是通過(guò)量子光學(xué)中的輸入-輸出公式，將腔內(nèi)場(chǎng)與輸入噪聲耦合得到輸出場(chǎng)；從物理上來(lái)說(shuō)，就是從腔中泄露出的光場(chǎng)。這種腔外糾纏的對(duì)數(shù)負(fù)性通常比腔內(nèi)糾纏大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 腔外行波糾纏在量子信息處理中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，輸出的糾纏光場(chǎng)為行波模式，可直接通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸，無(wú)需額外的模式轉(zhuǎn)換。因此該糾纏資源特別適合構(gòu)建分布式量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)楣鈱W(xué)輸出場(chǎng)可以直接與現(xiàn)有光通信基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)復(fù)合系統(tǒng)。在描述這些不同物態(tài)間的量子糾纏時(shí)，是否存在一個(gè)統(tǒng)一的理論框架或核心模型？還是需要針對(duì)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(gè)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(wàn)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(duì)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(gè)系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)代入模型，得到例如對(duì)數(shù)負(fù)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(shí)，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(jì)算層面面臨哪些調(diào)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(shí)，我采用了最小殘余糾纏度（Minimum Residual Entanglement）作為度量。選擇這個(gè)度量的原因有三點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)上可通過(guò)測(cè)量協(xié)方差矩陣來(lái)獲得；第三，當(dāng)最小殘余糾纏度大于零時(shí)，可以確保存在不可分解的三體關(guān)聯(lián)，這是一個(gè)充分條件。 將這種方法推廣至激子系統(tǒng)，在計(jì)算層面的主要困難是需要精確調(diào)整激子模式與光學(xué)模式的失諧參數(shù)。當(dāng)失諧選擇不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的三體糾纏。這需要在參數(shù)空間中進(jìn)行細(xì)致的搜索和優(yōu)化。在理論層面，推廣過(guò)程相對(duì)直接——關(guān)鍵是識(shí)別激子系統(tǒng)與腔光力系統(tǒng)的共性，然后應(yīng)用相似的動(dòng)力學(xué)處理方法。

Q：您展示了腔磁子系統(tǒng)產(chǎn)生的光-微波糾纏在量子照明應(yīng)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(biāo)上？是否有定量的理論分析或模擬結(jié)果來(lái)支撐這一結(jié)論？

A:性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)主要為目標(biāo)探測(cè)錯(cuò)誤率：在相同出射能量下，顯著低于經(jīng)典相干光方案和腔光力方案 定量支撐： ①仿真顯示錯(cuò)誤概率-出射能量曲線中，腔磁子方案始終優(yōu)于經(jīng)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(duì)數(shù)負(fù)性、量子失協(xié)）均超過(guò)腔光力系統(tǒng)。

蔡淇智博士畢業(yè)于電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院，研究領(lǐng)域?yàn)榱孔有畔?，研究方向?yàn)榍还饬ο到y(tǒng)中的量子糾纏產(chǎn)生及應(yīng)用。本次報(bào)告首先以納米梁光子晶體腔光力系統(tǒng)作為研究對(duì)象，分別從器件設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)行為描述以及糾纏度量三個(gè)層面，遞進(jìn)地介紹了在單個(gè)納米梁腔內(nèi)光力模式的兩體糾纏、腔外行波光學(xué)模式的兩體糾纏、腔內(nèi)光學(xué)模式的三體糾纏方面的研究?jī)?nèi)容，并進(jìn)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(nèi)激子模式之間的三體糾纏?；谏鲜隼碚撗芯糠椒?，介紹了在腔磁子系統(tǒng)中光與微波糾纏的產(chǎn)生方案，并展示了該量子資源在量子照明應(yīng)用中的優(yōu)越性

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