量子科学和技术面临的一个关键挑战是实现大规模、精确可控、实用的非经典安全通信、计量系统，最终实现有意义的量子模拟和计算。光学频率梳是实现这一目标的一种强有力的方法，因为它们提供了大量的时间和频率模式，可以用作大规模的量子系统。量子光学频率梳的产生和控制将为量子信号和信息处理提供一个独特、实用和可扩展的框架。英国格拉斯哥大学的科学家回顾通过光子纠缠操作的量子频率梳，从锁模量子频率梳开始，然后是能量——时间纠缠方法，包括它们的产生和控制。文章关注的是集成光学解决方案，这些解决方案通过直接在微腔中使用非线性光学过程生成光子，以及通过在非线性光学波导中生成光子后的被动光谱滤波来实现。最后，作者讨论了它们在未来应用中的潜力，解决了基于光子的量子科学面临的挑战。

图1 两个相关光子（称为信号和闲置光子）通过SPDC或SFWM从滤波非线性波导或非线性谐振器发射。

可精确控制的大规模量子系统的产生对于实现基于量子技术超越了概念验证演示的实用和高性能设备至关重要。这些系统可用于提高非经典通信中的链路速度，实现实用的量子增强计量，以及增加计算和模拟中的量子信息内容。从典型的二维“量子比特”（经典比特的量子模拟）开始，可以通过使用多粒子态（即由多个子系统，如原子、电子或光子及其自由度）或通过增加每个粒子的量子维数来实现更高的复杂性。希尔伯特空间大小（与可用量子资源类似）的大小为d^N（d和N分别是维度和粒子的数量）。对于较小的维数，多项式的维数缩放有利于状态复杂度的增加，但对于较大的维数，与增加粒子的数量相比，多项式状态复杂度增加的效率会降低。此外，除了增强量子信息的内容，复杂状态还可能降低对噪声的敏感度——这是量子系统一直面临的挑战——并且能够实现新的算法。例如，两级 “簇态”具有独特的多部分纠缠特性，允许通过“单向”方案实现通用量子计算，其中处理是通过测量来执行的。通过高维子系统增加维数——所谓的量子态——可以额外产生更高的噪声鲁棒性，并允许新的高维量子计算算法。然而，开发合适的非经典系统是当前技术的极限。例如，传统上以量子比特方案为基础的原子和超导方法，需要越来越技术复杂的系统和控制方法来增加量子比特的数量——这是由于它们与环境相互作用的内在物理特性决定的。对于这些系统，由于其本身较短的退相干时间以及较高量子级的有限栅极保真度，因此难以对量子比特进行扩展。相比之下，光子系统之所以具有吸引力，不仅是因为光子可以与其他量子系统相互作用，可以远距离传输量子信息并在室温下工作，而且因为光子可以支持产生非常复杂的量子状态并促进其精确控制，包括高维的量子态系统。基于空间、偏振和轨道角动量模的量子信息编码的初始方法已经非常成功创造高维光学状态和量子比特簇态。然而，尽管这些方法取得了成功，但由于被利用的自由度具有空间上的独特性，这些方法的足迹必然随着维度的增加而增长。这最终对实际系统可达到的复杂程度造成了重大限制。

图2 时间 —— 能量纠缠光子的相关特征。

最近推出的“量子频率梳”可以在频域中实现复杂（即多粒子和高维）状态的可扩展生成。它们的多模特性——在单一空间模式中具有许多相位稳定的频率模式——允许这些频率结构在联合双光子光谱振幅和相位以及时间和频率相关性中存储量子信息。因此，量子频率梳可以在其光谱——时间量子模式中存储和处理大量信息，迅速成为一个快速增长的研究领域。第一个量子频率梳基于使用非线性晶体的自由空间光学参数振荡器，其中相位匹配的参量下变换导致频率模式之间的量子相关，并导致在连续变量形式中产生所谓的压缩态。这种方法可以产生模式数超过一百万的超大型光子量子系统。在同步激励系统中，这会导致多模纠缠网络产生高度复杂的簇态。然而，因为它们非常窄的自由光谱范围（FSR，即频率模式间隔）这些已经被证明难以控制，通常只有约100兆赫，使得访问各个模式非常具有挑战性，尽管一些报告已经实现了对间距小于1GHz的量子梳使用零差检测进行状态表征。因此，多个模式通常被分组并一起操作。此外，庞大而复杂的设置需要复杂的稳定方案，因此这些系统还不完全适合实验室以外的应用。光子和压缩态之间的一个重要区别是后者是高斯量子态，因此不能与专门的高斯运算和测量（如零差探测）结合用于重要的量子信息处理。为了将压缩状态用于例如量子计算，必须实现非高斯操作和测量，例如光子数分辨检测。相反，纠缠光子态与符合检测相结合可以直接用于量子信息处理。

图3 来自微环量子梳的复杂量子态。

集成光子学是一个功能强大的方法，它可以使经典和量子光子系统臂使用体光学有根本性的进步。此外，与硅芯片产业兼容的集成芯片在批量生产、稳定、低成本和实用性方面具有最大的优势。集成微米梳，特别是克尔梳，自十年前首次报道以来，已经引起了广泛关注，使经典频率梳小型化。它们的量子对应物——在单光子水平上工作的“量子微米梳”，在解决上述许多挑战方面引起了极大的关注。凭借其独特的频率特征，量子微米梳可以在离散频率模式下实现光子纠缠，从而使量子态的产生和控制具有相当高的复杂性。他们在一个可扩展的、可制造的平台上实现了这一点，该平台用于产生频率复用的标记光子和多光子、高维和超纠缠态。这种量子可伸缩性来自于它们在频率图中操作的能力，在频率图中，更多的频率模式和更高的维度可以很容易地添加到系统中，而没有明显的开销或损失。与连续可变系统相比，使用离散可变光子状态与使用先进单光子检测技术的后选择兼容，其中损耗不会本质上降低测量的量子状态；但是，损耗会导致实际检测率的降低。重要的是，在1550纳米附近运行的量子光子系统也极大地受益于并可以建立在成熟的电信技术之上，从而实现基于芯片/光纤的量子设备和分布式光纤量子网络。频率编码的复杂的光量子态可以使用最先进的光纤组件（包括滤波器、路由器和调制器）方便而直接地操纵。综上所述，所有这些因素使量子微米梳成为实现紧凑、可控和可扩展的复杂量子系统的一种引人注目的方法。

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