利用库珀对分离器在超导电路中生成纠缠光子

量子革命的曙光将量子纠缠推向了科学探索的最前沿，预示着量子通信、计算和计量学领域的变革性进步。尽管各种平台都已展示了纠缠光子对的产生，但对片上、可扩展和可控光源的追求仍然是一项关键挑战。最近发表的一篇论文提出了一种相对新兴的方法：在波导电路量子电动力学中通过库珀对分离器 发射纠缠光子对。这种方法利用了超导电路固有的量子特性，为实现集成和鲁棒的量子技术提供了引人注目的途径。

传统的纠缠光子对产生方法，例如非线性晶体中的自发参量下转换 ，在推进量子光学方面发挥了关键作用。然而，这些体光学设置通常在微型化、集成和可扩展性方面面临限制，特别是对于复杂的量子网络。超导电路的出现，特别是在电路QED框架内，为微波领域的量子控制和操纵开辟了新途径。电路QED涉及将超导量子比特嵌入微波谐振腔或传输线中，从而实现光与物质之间的强耦合。这个鲁棒的平台可以精确控制单个光子和量子比特，使其成为片上量子信息处理的理想选择。

真正的创新在于将库珀对分离器 (CPS) 集成到这种波导电路QED架构中。库珀对分离器是一种纳米级器件，旨在将超导体中形成库珀对的两个纠缠电子空间分离。这些电子，由于其源自库珀对的共同起源，在它们的自旋和动量自由度上固有地纠缠。所提出的纠缠光子对发射的基本原理依赖于将这种电子纠缠巧妙地转移到光子纠缠上。当两个空间分离的纠缠电子从CPS中隧穿出来时，它们被设计成与微波波导或谐振器的不同模式相互作用。这种相互作用可以被设计成使隧穿过程中释放的能量激发波导中相应的光子。至关重要的是，电子之间的纠缠被印刻到发射的光子上，从而产生纠缠光子对。

考虑详细的机制：一个库珀对，即两个具有相反自旋和动量的电子的束缚态，进入CPS。分离器随后将这两个电子引导到不同的臂中，同时保持它们的量子纠缠。当每个电子从其各自的臂隧穿到正常金属引线或量子点时，能量差可以以微波光子的形式释放。关键是，由于库珀对的初始纠缠，隧穿事件是相关的。例如，如果电子在它们的自旋上纠缠，则发射的光子可以在它们的偏振（如果设计了与偏振相关的相互作用）或其它自由度（例如它们的空间模式或频率）上纠缠。电子隧穿与波导模式之间精心设计的耦合确保了一个光子的发射与它的纠缠伙伴的发射内在地联系在一起。

波导电路QED环境在促进这一过程中起着至关重要的作用。超导波导作为光子传播的高度相干介质，最大限度地减少了退相干并实现了发射光子的有效收集。此外，在波导内设计色散关系和耦合强度的能力允许精确控制发射光子的特性，包括它们的频率、带宽甚至它们的空间纠缠。这种平台的集成特性还使得可以直接将这些纠缠光子路由到其他片上量子组件，例如量子存储器或处理单元，为实现真正的集成量子网络铺平了道路。

与现有方法相比，这种方法具有几个引人注目的优势。首先，它固有地利用了超导电路中存在的相干性和强相互作用，这已经处于量子计算研究的最前沿。这种协同作用为将纠缠光子源直接与超导量子处理器集成开辟了可能性。其次，库珀对分离器和波导QED系统的片上特性提供了前所未有的可扩展性。通过在单个芯片上制造多个CPS-波导单元，人们可以设想一个紧凑、高速率的纠缠光子对源。第三，通过外部门和磁通线控制CPS和周围波导环境的能力为调整发射光子的特性（包括它们的纠缠类型、光谱特性和发射速率）提供了强大的旋钮。这种控制水平对于根据特定的量子信息协议定制纠缠源至关重要。

然而，在波导电路QED中通过库珀对分离器实现纠缠光子对发射也带来了重大的科学和工程挑战。其中最重要的是需要极高质量的库珀对分离器，它们能够在大尺度上保持电子的纠缠，并确保有效地隧穿到波导模式中。最大限度地减少电子和发射光子的退相干途径至关重要。此外，将电子隧穿事件精确地耦合到波导中的特定光子模式需要细致的设计和制造。对发射光子纠缠的实验验证还需要针对微波领域量身定制的复杂量子态层析成像技术。

尽管存在这些挑战，潜在的回报是巨大的。这种方法可能导致开发紧凑、高效且按需的纠缠微波光子源，这可以作为未来在微波频率下运行的量子通信网络的主干。这种网络可以在通过超导电缆进行低损耗传播以及与超导量子处理器兼容性方面提供优势。除了通信之外，这些片上纠缠光子源还可以在量子计量学中找到应用，从而提高传感能力，并在量子力学的基础测试中，为探索纠缠的性质提供新的平台。