背景介绍

现代信息技术利用电磁场来编码和传输信息。类似地，单光子这类场的基本粒子是量子信息的重要载体。在电信设备中使用的近红外波长进行单个光子的检测的技术已经很成熟了。然而，对于某些量子计算至关重要的微波光子的检测，由于其光子能量低得多，仍然具有挑战性。早期的微波光子探测方案常常受限于探测后长停滞时间、模式失配导致的低效率、或者需要在长寿命腔模式下捕获光子的要求。苏黎世联邦理工学院的研究人员提出并验证了一种新的方法检测单微波光子，即利用入射光子和超导人工原子之间的腔辅助条件相位门，实现了一种量子非破坏探测器，并用实验证明了该方法具有高保真度。使用文中设计的探测器可以应用于远程纠缠协议、线性光学量子计算的微波系统中。

图1. 量子非破坏单光子探测器原理图

实验过程

实验装置包括连接到探测器的单光子源，超导人工原子耦合到两个四分之一共面波导谐振器充当的单模腔。与以前的设计不同，检测的光子没有被探测器吸收，而是继续传播。为了实现这种性能，研究人员使用一个控制序列，利用超导原子的状态与入射光子进行纠缠，同时使用单量子比特的读出，以检测光子的存在。通过读出该原子在单次激发中的状态，他们得到内部光子探测保真度为71%，受限于光源和探测器之间的传输效率（75%）和量子比特的相干特性，得到外部光子的探测保真度为50%。

来源： https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021003

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