Photonic Entanglement for Fundamental Tests and Quantum Communication
纠缠是量子力学基本测试的核心，比如贝尔不等式测试，以及最近发现的量子计算和通信测试。它们的技术进步使纠缠光子在纠缠物理中发挥了突出的作用。我们给出了量子比特纠缠的一个广义概念，并回顾了光子学实验的最新进展。
2001-07-31 quant-ph
Open Systems Dynamics for Propagating Quantum Fields
在这篇论文中，我探讨了物质和传播光之间的相互作用。电磁场被建模为一个水库的量子谐振子连续流过量子系统。每一次微弱而短暂的相互作用都会纠缠着光和系统，而光继续它的旅程。在开放量子系统的框架内，光最终被追踪出去，留下系统的约化量子态作为主要的数学对象。两个主要结果。第一种方法是主方程方法，研究了量子系统与含有一定数量光子的行波包的相互作用。与准经典态（如相干场或热场）相比，这些N光子态具有时间模式纠缠，并且时间上的局域相互作用具有非局域后果。第二个是原子系综与傍轴激光束相互作用的三维光-物质界面模型及其在产生QND自旋压缩中的应用。由于空间不均匀的原子-光耦合在整个系综的相干和非相干动力学占。傍轴散射光的测量可以产生原子自旋波的压缩，而漫散射光子导致空间局域退相干。
2014-08-18 quant-ph
A Fundamental Lower Bound of Actuating Energy for Broadband Photon Switching
利用量子场的负能量密度与时间的测不准关系，导出了宽带光子开关的驱动能$E_{s}$的一个普适下界。我们发现，在一个时间$t_s$之间的完全反射和完全透射的宽带光子切换应满足$E_{s}\geq\frac{\hbar}{6πt_s}$。
2008-03-29 quant-ph
Fundamental resolution limit of quantum imaging with undetected photons
利用未检测到的光子的量子成像依赖于没有诱导发射的诱导相干性的原理，并且使用具有信号光子和空闲光子的两个光子对源。每一对在位置和动量上都具有很强的量子相关性，这使得只需测量从未与物体相互作用的信号光子，就可以对被闲置光子照射的物体进行成像。在这项工作中，我们从理论上探讨这种非局部成像方案的横向分辨率，通过一般的形式主义，对待传播光子超出常用的傍轴近似。我们在此证明，与未检测到的光子的量子成像的分辨率是从根本上衍射限制的信号和闲频对的较长波长。此外，我们得出结论，这一结果也适用于其他非局域双光子成像方案。
2022-09-05 quant-ph
Photon Routing in Cavity QED: Beyond the Fundamental Limit of Photon Blockade
光子阻塞效应的最简单和看似直接的应用，其中一个光子的传输阻止了其他光子的传输，将是将两个传入的不可区分的光子分离到不同的输出端口。我们表明，时间-能量的不确定性关系固有地防止这种理想的情况下，封锁是由一个两级系统。这一限制的基本性质是揭示了这样一个事实，即在强耦合区的腔QED的光子封锁，由Jaynes-Cummings能级结构的非线性，表现出的效率和时间行为相同的光子封锁在坏腔区，其中潜在的非线性是原子本身。我们证明，这一限制可以超过，但不能避免，利用入射光子之间的时间-能量纠缠。最后，我们展示了如何通过使用耦合到单侧腔的三能级原子来完全规避这个限制，从而实现理想且鲁棒的光子路由机制。
2011-09-03 quant-ph
Fundamental limits on determination of photon number statistics from measurements with multiplexed on/off detectors
Palacký University（帕拉茨基大学）
本文研究了利用多路开/关探测器测量确定光子数统计的基本限制，通过线性规划确定光子数概率的上下界，并讨论了不同输入状态下的实验结果及Wigner函数等关联性质。
2026-03-02 quant-ph
Single-Photon-Memory Measurement-Device-Independent Quantum Secure Direct Communication -- Part I: Its Fundamentals and Evolution
本文综述量子安全直接通信的基本原理、安全性证明、性能改进与实际实现，并展望其未来发展方向。
2023-04-19 quant-ph
Entanglement structure in quantum many-body systems, field theories, and holography
本论文发展量子场论、全息与张量网络新技术，研究含质量、相互作用及边界系统的纠缠结构，推广传统全息并给出 AdS/BCFT 局域算符淬灭的正确处方。
2023-08-18 cond-mat.str-el gr-qc hep-th
On-demand quantum correlation control using coherent photons
在过去的几十年里，量子纠缠在量子信息科学中的潜在应用得到了广泛的研究。虽然对非局域关联的研究已经取得了很大的进展，但对纠缠本身的基本理解仍然有限。本文分析了基于概率纠缠光子对的纠缠关系的量子特性，即所谓的HOM dip，并与基于相干光的按需纠缠光子对产生方法进行了比较。回答了HOM dip测量中不存在g ^（（1））关联的基本物理问题，提出了新的宏观量子纠缠产生的相干量子物理.
2020-11-22 quant-ph
Smart Quantum Technologies using Photons
利用光的量子态的技术在过去的二十年中一直处于聚光灯下。在这方面，量子精密测量，量子成像，量子光通信是一些重要的应用，利用迷人的量子特性，如量子叠加，量子关联，和非经典光子统计。然而，在单光子水平上操作的最先进的技术还不足以真正实现可靠的量子光子技术。在第一章中，我介绍了基于光子的技术的历史。此外，我还讨论了量子光子技术领域最近令人鼓舞的发展，以及实施可靠量子技术所面临的主要挑战，为揭示我们应对这些挑战的智能方法奠定了基础。同样，在第2章中，我将回顾量子光学和机器学习的基本概念。在第三章中，我提出了一个非线性量子精密测量方案的理论工作，展示了一个亚散粒噪声限制的相位估计使用位移压缩光和开/关检测。此外，我讨论了一个基于相机的挤压光检测，可以是一个智能和时间效率的平衡零差检测的替代方案。在第4章中，我讨论了我们将人工智能融入到提高热光与相干光源区分效率的努力。在第五章中，我提出了一个存在随机相位失真的通信协议。我们利用卷积神经网络来执行单光子的空间模式校正，从而获得接近统一的校正保真度。最后，我在第6章总结了我的论文，总结了历史背景、最先进技术面临的挑战以及我们在量子技术中引入人工智能的重要性。
2021-05-02 physics.optics quant-ph
Quantum mechanics of the free Dirac electrons and Einstein photons, and the Cauchy process
在凸函数空间上构造了位置坐标系下自由Dirac电子和Einstein光子方程的基本解。结果表明，这些基本解决方案是通过一个酉变换通过柯西分布在虚时间。我们研究了自由粒子的经典相对论力学是如何从自由狄拉克电子的量子力学得到的。
2015-10-23 quant-ph
Fundamental Limit on the Efficiency of Single-Photon Generation Based on Cavity Quantum Electrodynamics
基于腔量子电动力学（QED）理论，我们解析地推导了单光子产生的总效率的上限，其中腔的内部损耗被明确地处理。内部损失导致内部发电效率和逃逸效率之间的折衷关系，这导致对总体效率的根本限制。相应的下限的故障概率表示只有一个“内部协同性”，这里介绍的协同性参数相对于腔的内部损失率。该下限通过优化腔外损耗率得到，而腔外损耗率可以通过设计或调节输出耦合器的跨导来实验控制。本文所用的模型是通用的，足以处理各种腔QED效应，如Purcell效应，共振或非共振腔增强拉曼散射，和真空受激拉曼绝热通过。还讨论了一个再抽运过程，即原子在衰变到初始基态后被重新利用。
2018-08-30 quant-ph
Experimental single-photon quantum key distribution surpassing the fundamental coherent-state rate limit
本研究利用高效半导体量子点单光子源实现了高速QKD，在自由空间城市信道上使密钥率超越相干光的基本速率极限，证明了单光子源在QKD中的优越性。
2024-06-04 quant-ph
Witnessing genuine multi-photon indistinguishability
玻色子干涉是一种基本的物理现象，它被认为是量子计算优势的核心。因此，有必要开发实用的工具来见证它的存在，无论是对量子源的可靠评估还是基础研究。在这里，我们描述了如何线性干涉仪可以用来明确地见证真正的n-玻色子不可分割性。违反建议的证人的数量限制的程度多玻色子的不可解释性，我们还提供了一个新的直观模型，使用集合论。我们实验性地实现了这个测试，以约束我们使用参数下转换准备的状态中的3光子不可逆性的程度。我们的方法为实际的光子应用提供了一个方便的工具，并可能激发我们采用的操作框架的基础上进一步的根本性进展。
2018-04-04 quant-ph
Single-photon characteristics of superposed weak coherent states
我们研究了一个叠加的弱相干态，它不仅在光子数上而且在不确定的相位上都能从根本上模拟理想的单光子。它接近单光子态，具有高保真度，并表现出单光子的基本特征，如反聚束和Hong-Ou-Mandel干涉。单光子特性的出现和消失可以通过改变两个参数直接观察到，平均光子数和相位数。结果表明，光子数和相位之间的不确定性确实构成了单光子的特征。最后，我们将叠加弱相干态应用到量子密钥分发中，并证明了它优于利用相位随机化弱相干态的典型方法。
2019-01-25 quant-ph
Loophole-free Bell test based on local precertification of photon's presence
贝尔不等式的无环洞破坏对于证明量子非局域性和长距离设备无关的保密通信具有重要意义。然而，传输损耗代表了光子无环孔贝尔测试的基本限制。在局部测量之前立即对光子的存在进行局部预认证可以解决这个问题。我们表明，本地预认证是可行的，通过整合三个当前的技术：（i）增强单光子下转换本地创建一个标志光子，（ii）基于超导单光子探测器的快速标志检测，（iii）超导过渡边缘传感器，以关闭检测漏洞。我们进行了精确的时空分析所提出的计划，显示其可行性和可行性。
2012-06-11 quant-ph
Limits of heralded single photon sources based on parametric photon pair generation
我们推导了基于参量光子对产生的预示单光子源的统计计算。这些计算突出了这些源的基本和实际限制，并显示了哪些物理参数可以优化，以提高真实源的质量。
2009-10-13 quant-ph
Deterministic quantum correlation between coherently paired photons acting on a beam splitter
基于光子的粒子性质的量子技术在过去几十年中取得了很大的进展，其中纠缠的基本量子特性已经通过Hong-Ou-Mandel型纠缠关系和Bell型非局域关联得到了验证。最近，基于光子的波动性质的互斥量子特征已经被研究以理解神秘的量子关联的基本物理，导致确定性和宏观量子技术。在这里，我们研究了成对光子作用于分束器的量子性质，其中相互相干起着重要作用。与目前对量子纠缠关系的普遍理解不同，成对光子之间的二体纠缠不一定是概率性的或后选择的，而是可以是确定性的，甚至是宏观的，通过相位基操纵，而不违反量子力学。
2021-08-21 quant-ph
Fundamental building block for all-optical scalable quantum networks
有效的长距离量子通信的主要障碍是传输过程中的光子损失和贝尔测量的概率性质，导致时间和资源随距离呈指数缩放。为了克服这些困难，虽然传统的量子中继器需要使用长寿命量子存储器进行基于物质的操作，但最近的提议采用了纠缠中的编码多光子，为可扩展性提供了另一种方式。在追求可扩展的量子通信时，自然会出现这样的问题：全光可扩展性是否存在任何最终限制，以及是否以及如何实现。基于这些问题，我们导出了多光子Bell测量的效率和容损性的基本限制，它不受协议的限制，而受物理定律的限制，即线性光学和不可克隆定理。然后，我们提出了一个贝尔测量计划与线性光学，这使得一个达到两个基本限制：一个由线性光学和其他的不可克隆定理。基于我们方案的量子中继器允许在任意长距离上实现快速有效的量子通信，优于以前的全光子和基于物质的协议。我们的工作为量子网络提供了一个基本的构建模块，但接近全光可扩展性的最终极限。
2019-11-04 quant-ph
Topological photonics: fundamental concepts, recent developments, and future directions
本文以教学式视角梳理拓扑光子学的基本概念，并按线性、非线性和量子机制综述其近期发展，同时探讨未来方向与现存挑战。
2023-05-25 physics.optics quant-ph
Quantum control of photonic entanglement with a single sub-wavelength structure
量子纠缠是大多数量子信息方案的基本资源。使用光子态作为量子信息的载体的一个基本问题是，它们与物质的相互作用很弱，并且相互作用体积通常受到光的波长的限制。在量子等离子体中使用金属结构有可能缓解这些问题。在这里，我们提出的第一个结果表明，一个单一的亚波长等离子体纳米孔径可以可控地修改光的量子态。特别是，我们的实验表明，双光子纠缠可以完全保留或完全失去后，与纳米孔径的相互作用完全取决于之间的相对相位的量子态。我们通过使用特别设计的双光子状态来匹配纳米孔的属性来实现这种效果。这种效应基本上是由量子干涉介导的，量子干涉发生在小于光波长的尺度上。纳米光子学和量子光学之间的这种联系不仅展示了量子极限对光-物质相互作用的前所未有的控制，而且还探索了量子干涉现象的基本极限。
2016-11-01 quant-ph
Adaptive loop-based subtraction of a single photon from a traveling beam of light
通过添加和减去单个光子来操纵光是一种强大的方法，但有一个主要缺点：操作基本上是概率性的，并且概率通常很小。这不仅限制了基本的可扩展性，而且限制了可以应用于实际实验设置的操作数量。我们提出并分析了一种自适应技术，它可以显着增加成功的概率，同时保持光子减影的质量。我们在单模制备和操纵负Wigner函数的非高斯态以及高斯态的双模纠缠蒸馏协议方面都有了改进。
2018-08-27 quant-ph
Symmetries and entanglement features of inner-mode resolved correlations of interfering nonidentical photons
多光子量子干涉是量子力学和量子技术的基础测试。因此，在多光子干涉实验中，光子可分辨性的有害影响可能是灾难性的。在这里，我们采用光子内模，时间或频率的相关测量，恢复光子之间的量子干涉在任意线性光网络中的颜色或注入时间不同，而不需要额外的过滤或后选择。有趣的是，我们展示了如何利用多光子内模量子信息，使解开多光子网络和状态的对称性和整个类的多体纠缠态的产生与固定的干涉仪。因此，这些结果是深刻的兴趣，在基础科学和量子技术的光子与实验不同的光谱特性的通用内模分辨线性光学的未来应用。
2018-08-15 quant-ph
Light guided in tailored environments: from basic aspects to applications (Ph.D. thesis)
本论文致力于研究单光子在量子剪裁结构中的量子光学效应。全文共分六章和一个附录。论文的中心部分从题为“理论背景”的一章开始，作者介绍了理解后续章节所需的关键量子光学概念。下一章将讨论用SPDC方法估算非线性晶体中的塞尔迈尔系数。根据实验结果分析了该方法的准确性和可行性。随后的章节集中在数值模拟的光子对波函数产生的SPDC过程。在这一章中，作者提出了数值预测的结果与实验结果在两个不同的实验室设置之间的比较。第五章致力于弯曲波导的模式建模，结合分析考虑和数值模拟。利用COMSOL软件进行了数值模拟，验证了结果的正确性。在这一章中，作者强调了基础研究的背景：它表明，弯曲波导的方程类似于量子粒子在轴对称空间中的动力学方程。附录中给出了柱坐标系中微分算子的形式，分析了光子在光纤中的传播对光子波函数的影响，以及二维轴对称空间中粒子的薛定谔方程。
2022-11-19 physics.optics quant-ph
Nonclassical correlated deterministic single-photon pairs for a trapped atom in bimodal cavities
单光子和单光子对本质上是非经典的，是量子科学和技术的基本要素。本文提出在单光子水平上实现双模腔中单个原子的非经典关联确定性光子对。结果表明，双模腔的光子发射具有较高的单光子纯度和较大的腔内光子数，这是光学斯塔克位移增强的能谱非谐性和量子干涉抑制的双光子激发的综合作用.我们的方案通过构造一个高度可调谐的腔增强确定性参量下转换过程产生对腔模具有强光子阻塞的光子-光子对。此外，我们发现，交叉关联函数之间的两个腔模式极大地违反了柯西-施瓦茨不等式的经典边界，这毫不含糊地证明了非经典的单光子对。我们的结果揭示了一种产生具有强非经典关联的高质量双模单光子源的突出策略，它可以在量子网络的分布，长距离量子通信和量子物理的基础测试中提供广泛的应用。
2022-04-15 quant-ph
Brazilian Twin Photons 32nd anniversary
Universidade Federal de Santa Catarina（圣卡塔琳娜联邦大学）；Millennium Institute for Research in Optics（光学研究千年研究所）
本文回顾巴西近三十年双光子研究的发展历程，展示其在量子光学领域的开创性贡献与国际影响。
2025-12-08 quant-ph
Observation of genuine three-photon interference
多粒子量子干涉对于我们理解和利用量子信息，以及对量子力学的基础检验都是至关重要的。Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态是多体关联的一个显著例子。在GHZ态中，三个粒子之间存在关联，但没有发现两两关联，自1990年以来，人们一直在理论上研究这些强关联在干涉仪中的表现，但还没有实验上实现三光子GHZ干涉仪。在这里，我们展示了三光子干涉，而不是源于双光子或单光子干涉。利用能量-时间纠缠光子三重态，在广义Franson干涉仪中观测到三光子符合随相位的变化，其可见度为90.5 \pm 5.0%。这些强相关性在干涉设置的演示提供了新的途径，多光子干涉，量子力学的基本测试和量子信息应用在更高的维度。
2017-04-20 quant-ph
Elimination of Noise in Optically Rephased Photon Echoes
光子回波是操纵电磁场的基本工具。在这个过程中，由于强的重定相脉冲而产生不均匀的自发发射噪声，这限制了可实现的信噪比，并且代表了它们在量子机制中的应用的基本障碍。在这里，我们提出了一个无噪声光子回波协议的基础上的四能级原子系统。我们在Eu ~（3+）：Y_2SiO_5 ~（b）晶体中实现了该协议，并将其用作光量子存储器。对于用单光子级相干脉冲编码的时间仓量子比特，获得了0.952的存储保真度，这远远超过了使用经典的测量和准备策略所能达到的最大保真度。在这项工作中，所展示的无噪声光子回波量子存储器具有自旋波存储，易于操作和高存储保真度，这应该很容易扩展到其他物理系统。
2021-07-21 quant-ph
Quantum interferometric generation of polarization entangled photons
量子干涉，如Hong-Ou-Mandel干涉，在检验量子物理学的基本概念方面发挥了重要作用。我们的实验表明，多量子干涉效应使高性能的偏振纠缠光子的产生。这些光子具有高发射率，是简并的，具有宽带分布，并且是后选择自由的。一种基于双程偏振Sagnac干涉仪的量子干涉方案，使得在参量下转换过程中可以利用偏振纠缠光子的高产生效率，并在不需要后选择的情况下将简并光子对分离成不同的光学模式。实验表明，多量子干涉不仅是一种有趣的基本量子光学现象，而且可以用于新型的光子量子信息技术。
2018-10-24 quant-ph
Fundamental limit on the heralded single photons' spectral brightness
National Tsing Hua University（国立清华大学）；National Cheng Kung University（国立成功大学）
通过研究预示单光子的光谱亮度与交叉关联函数，推导出适用于所有HSP源的光谱亮度上界，并引入品质因子作为接近理想无噪声源的度量，实验上在热原子蒸气中实现了创纪录的光谱亮度和品质因子。
2026-06-25 quant-ph
Demonstration of the quantum principle of least action with single photons
该研究通过直接测量单光子波函数实验观测费曼路径积分传播子，并据其极值得到经典轨迹，首次在量子层面验证了最小作用量原理。
2023-05-31 quant-ph
Recent developments in photon-level operations on travelling light fields
在一个移动的光场中湮灭和产生一个光子是量子态工程中任意产生光子态的有用基石。在本文中，我们回顾了这些操作的相关性，量子物理学的一些基本方面，并在这项研究的最新进展。
2008-07-29 quant-ph
Fundamental Bounds of Wavefront Shaping of Spatially Entangled Photons
本文从理论和数值上研究了空间纠缠光子通过厚散射介质时波前整形对双光子关联的增强界限，揭示了单光子整形、介质前双光子整形及介质后双光子整形等不同配置下与经典预期不同的最优增强规律，为散射环境中的量子成像与通信提供了策略依据。
2025-05-04 physics.optics quant-ph
Enhancement of two-photon transitions with tailored quantum light
我们研究了量子光学中的一个基本问题：驱动双光子跃迁的最佳脉冲形式是什么？我们表明，纠缠光子一般比最佳经典脉冲更有效地这样做，并提供了第一个例子，增强相干控制通过量子关联。在集体驱动的两级系统的合奏，这种增强需要非零的相互作用。
2015-10-22 quant-ph
On the role of chirping in pulsed single photon spectroscopy
本文研究啁啾对单光子脉冲与二能级系统相互作用强度估计精度的影响，发现渐近精度取决于光谱振幅，二次相位调制时由带宽决定，并证明模式分辨测量接近最优。
2024-05-04 quant-ph
Dynamical control of quantum photon-photon interaction with phase change material
本文提出利用相变材料二氧化钒的绝缘体-金属转变动态调控纠缠光子对的交换相位与有效光子-光子相互作用，并通过实验验证其为可编程非幺正量子光学平台提供新途径。
2025-10-18 quant-ph
The Truncated Metallo-dielectric Omnidirectional Reflector: Collecting Single Photons in the Fundamental Gaussian Mode with 95% Efficiency
我们提出了一种新颖的天线结构，它以前所未有的效率将来自单个发射器的单个光子漏斗到低发散的基本高斯模式中。我们的器件依赖于创造一个全向光子带隙的概念，以抑制不必要的大角度发射，并提高小角度缺陷导模发射。新的光子收集策略直观地说明，严格验证和优化，通过实施一个有效的体的旋转有限差分时域方法的面内偶极子发射器。我们研究了一些天线设计，以涵盖各种边界条件所造成的制造工艺或材料的限制，并从理论上证明，收集效率到基本高斯模式超过95%是可以实现的。我们的天线是宽带的，对制造缺陷不敏感，并与各种固态发射器兼容，如有机分子，量子点和金刚石缺陷中心。来自单个发射器的单向和低发散高斯模式发射可以实现各种光子量子计算机架构以及高效的光-物质界面。
2020-08-05 physics.optics quant-ph
Sir Arthur Eddington and the Foundations of Modern Physics
这篇博士论文深入分析了爱丁顿的基本理论的前六章，有时也被称为他的“统计”理论，自1946年首次出版以来所取得的发现和进步。特别是，分析集中在量子力学和量子场论的基础的背景下。分析的结果阐明了一些新的方法和技术，虽然并不总是正确的，但可能会被证明是有启发性的，甚至对未来的量子基础研究有用。
2006-03-16 gr-qc physics.hist-ph quant-ph
Fundamental limits of pulsed quantum light spectroscopy: Dipole moment estimation
本文建立脉冲量子光光谱的参数估计精度极限，分析单光子吸收与自发辐射的信息权衡，并证明纠缠双光子态相较可分态无根本优势。
2023-04-05 quant-ph
The generation of an entangled four-photon state from two pairs of entangled two-photon states by using linear optical elements
提出了一个从两对纠缠双光子态产生纠缠四光子态的方案。这种纠缠的四光子态等价于两个最大纠缠的自旋为1的粒子的量子态。该方案也可以用来从N对纠缠双光子态制备纠缠2N光子态。这种多光子态在量子力学与局域实在论的基本测试中以及在许多量子信息和量子计算方案中起着至关重要的作用。
2001-12-14 quant-ph
Nonreciprocal photon blockade in a two-mode cavity with a second-order nonlinearity
结果表明，斐索阻力可以用来引起非互易性。我们建议使用一个纳米结构的环形腔制成的$χ^{(2)}$非线性材料，以实现非互易光子封锁（PB）通过斐索阻力。在弱驱动条件下，我们讨论了PB的基础上，良好的空间重叠的基波和二次谐波频率的双共振模式的起源。我们还发现，对于基模，当我们从一侧驱动系统时，发生PB，而当我们从另一侧驱动系统时，发生光子诱导隧穿。然而，在二次谐波模式中没有这种现象。值得注意的是，PB现象在相当小的光学非线性下发生，从而使系统参数更接近当前技术可合理实现的范围。
2019-05-16 quant-ph
Interaction of Independent Single Photons based on Integrated Nonlinear Optics
光子是量子信息的理想载体，因为它们可以很容易地产生，并且可以长距离传播而不受退相干的影响。因此，它们非常适合量子通信。然而，在大多数情况下，单光子之间的相互作用可以忽略不计。实现这种交互不仅从根本上令人着迷，而且对新兴技术具有巨大的潜力。最近已经表明，即使是单光子之间的弱光学非线性也可以用来执行重要的量子通信任务，比基于线性光学的方法更有效，线性光学具有根本的局限性。原子介质中单光子水平的非线性光学效应已经被研究和证明，但这些既不灵活也不与量子通信兼容，因为它们对光子的波长和带宽施加限制。在这里，我们使用高效非线性波导来观察来自两个独立源的单光子与单光子能级相干态之间的和频产生。集成的室温器件和电信波长的使用使得这种光子-光子相互作用的方法很好地适应于长距离量子通信，使量子非线性光学向复杂量子网络和未来的应用（如设备无关的量子密钥分发）又迈进了一步。
2013-04-12 quant-ph
Heralded generation of entanglement with photons
University of Bristol（布里斯托大学）；Griffith University（格里菲斯大学）
本文介绍了携带有源光子生成纠缠态的方法，通过辅助光子检测验证生成，提高了成功概率并扩展了量子信息处理的应用范围。
2025-02-03 quant-ph
Generation of non-classical light using semiconductor quantum dots
非经典光源对于量子科学和技术中的未来应用（诸如量子通信、量子计算和模拟、量子传感和量子精密测量）是至关重要的。本文综述了利用半导体量子点制备单光子、纠缠光子对和光子团簇态的基本原理和最新进展。具体的基本原理是讨论了光的详细量子描述，半导体量子点的性质和光-物质相互作用。这包括一个框架的非经典光的产生和双光子干涉的动态建模。最近的进展将讨论在非经典光的芯片外的应用，以及可扩展的芯片上集成的实现。
2019-01-18 quant-ph
How much entanglement can be generated between two atoms by detecting photons?
仅使用自发辐射光子、线性光学、单光子源和投影测量就可以实现两个原子之间任意量的纠缠。这与目前所有纠缠两个原子的实验方案相反，这些方案基本上限于一个纠缠位或ebit。
2006-11-14 quant-ph
Quantum metrology of two-photon absorption
双光子吸收（TPA）在超分辨成像和光谱学中具有重要意义。它的非线性特性允许使用量子资源（如纠缠）来提高测量精度或获得新的信息，例如，超快分子动力学。在这里，我们建立了非经典压缩光源的双光子吸收特性，用于精确测量双光子吸收截面。我们发现，在很小的截面的极限下，压缩态所能达到的精度没有基本的极限。考虑到最相关的测量策略-即光子计数和正交测量-我们确定的量子优势压缩态相比，相干态。我们发现，压缩态优于相干态实现的精度进行正交测量时，这提供了改进的缩放的Fisher信息相对于平均光子数$\sim n^4$。由于TPA过程的非相干性质和非线性的相互作用，也可以用相干态获得不寻常的缩放，其特征在于在正交和光子计数测量中的$\sim n^3$缩放。
2021-05-04 quant-ph
Generating, manipulating and measuring entanglement and mixture with a reconfigurable photonic circuit
纠缠是典型的量子力学现象，被认为是未来量子技术的核心和基础科学研究的主题。由噪声产生的混合物通常是与环境相互作用的不想要的结果，但也是根本的兴趣，并且被提议在一些生物过程中发挥作用。在这里，我们报告了一个集成波导器件，可以产生和完全表征纯双光子态与任何数量的纠缠和任意单光子态与任何数量的混合。该器件由一个可重构的集成量子光子电路与八个电压控制移相器。我们证明，对于成千上万的随机选择的配置，该设备执行高保真度。我们生成了最大和非最大纠缠态，用连续的部分纠缠态违反了Bell型不等式，并证明了任意单量子比特混合态的生成。
2012-08-13 quant-ph
Fundamental Limits to Coherent Photon Generation with Solid-State Atomlike Transitions
相干产生不可区分的单光子对于许多量子通信和处理协议至关重要。固态实现的两个级别的原子跃迁或三个级别的自旋$Λ$系统提供了显着的优势，为他们的原子同行为此目的，虽然退相干可能会出现由于环境耦合。一种流行的减轻退相的方法是在弱激发极限下操作，其中激发态数量最小，并且相干散射的光子在非相干发射上占主导地位。在这里，我们探测使用两个级别和自旋$Λ$固态系统产生的光子的相干性。我们观察到，类原子跃迁的晶格的电子振动跃迁的耦合是独立的驱动强度和失谐。我们应用极化子主方程来捕捉非马尔可夫动力学的基态振动流形。这些结果提供了对固态量子发射器的光子相干性的基本限制的见解，其结果是确定性的单发量子协议是不可能的，必须采用固有的概率方法。
2019-11-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable orbital-angular-momentum sorting without destroying photon states
具有轨道角动量（OAM）的单光子引起了研究人员的极大关注。理论上，单个光子可以携带无限的OAM值。因此，OAM光子态在量子信息和基础量子力学中得到了广泛的应用。虽然已经有很多方法可以对不同OAM值的量子态进行分类，但是如何对高维OAM进行无损、高效的分类仍然是一个根本性的挑战。在这里，我们提出了一个可扩展的OAM分类器，可以同时分类不同的OAM状态，同时，保持OAM和自旋角动量。分选器的基本元件由对称的多端口分束器（BS）和具有级联结构的Dove棱镜组成，原则上可以灵活有效地组合以分选任意高维OAM光子。这里提出的可扩展结构大大减少了对高维OAM状态进行排序所需的BS数量。由于其非破坏性和可扩展性的特点，分类器不仅可以作为高维量子信息处理的基础器件，而且可以作为传统光学的基础器件。
2016-10-08 physics.optics quant-ph
Fluctuation-dissipation theorem and fundamental photon commutation relations in lossy nanostructures using quasinormal modes
我们提供的理论和正式的见解格林函数量子化方法的吸收和色散的空间非均匀介质的背景下，电介质。我们表明，一个基本的格林函数的身份，这似乎，例如，在电磁场的基本对易关系中，在非吸收介质的限制下也成立。我们还演示了如何零点场波动产生一个非零的表面项的配置没有吸收，当使用一个更正式的程序的格林函数量子化方法。然后，我们将所提出的方法应用于最近开发的使用准正规模式的光子量子化理论[Franke等人，物理修订版信函122，213901（2019）]用于嵌入无损背景介质中的有限纳米结构。我们讨论了严格的介电限制的准正规模式运营商的交换关系，并提出了不同的方法来获得它们，连接到非吸收，但开放的谐振器的辐射损耗。我们展示了一个完整的三维光子晶体光束腔，包括无损限制，它支持一个单一的准正规模式和讨论的限制的换向关系消失阻尼（无材料损耗和无辐射损耗）的示例性计算。
2020-08-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fundamental trade-off between the speed of light and the Fano factor of photon current in three-level lambda systems
电磁感应慢光介质是一种很有前途的量子存储器件系统，但控制其噪声水平仍然是一个需要克服的主要挑战。本文考虑了这种介质的最简单模型，由三能级$Λ$系统与玻色浴相互作用组成，并提供了光的群速度和由于辐射跃迁引起的光子流的Fano因子之间的新的基本权衡关系。考虑到新导出的Lindblad型方程的稳态极限，我们发现光子流的Fano因子在光的最小群速度处最大化为3，这与表征介质的参数的详细值无关。
2023-01-18 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph quant-ph
Fundamental Limits to Single-Photon Detection Determined by Quantum Coherence and Backaction
单光子探测器已经取得了令人瞩目的性能，并导致了许多新的科学发现和技术应用。现有的光电探测器模型是半经典的，因为场与物质的相互作用被微扰处理，并且与吸收物质中的物理过程在时间上分离。一个悬而未决的问题是，一个完全量子探测器，其中的光场，光吸收，放大被认为是一个量子系统，可以有更好的性能。在这里，我们开发了一个理论模型，这样的光电探测器，并采用模拟揭示的关键作用所发挥的量子相干性和放大反作用在规定的性能。我们表明，相干性和反作用导致检测器指标之间的权衡，并通过控制量子经典接口确定最佳的系统设计。重要的是，我们建立了一个完美的光电探测器，100%的效率，没有暗计数，和最小的抖动，从而为下一代探测器铺平了道路的设计参数。
2017-10-26 physics.optics quant-ph
Two-Photon Bandwidth of Hyper-Entangled Photons in Complex Media
Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem（拉卡赫物理研究所，耶路撒冷希伯来大学）；Institut Langevin, ESPCI Paris, PSL University, CNRS（朗之万研究所，巴黎ESPCI学院，PSL大学，法国国家科学研究中心）
研究通过超纠缠光子在复杂介质中的特性，展示双光子带宽的扩展及其在量子波前塑造中的应用。
2025-12-10 physics.optics quant-ph
On Nonlinear Amplification: Improved Quantum Limits for Photon Counting
我们发现，单光子的检测不受玻色子模振幅的量子线性放大的基本限制，即使一个光电探测器放大一个少光子输入信号的宏观输出信号。替代限制推导出\emph{nonlinear}光子数放大计划与乐观的影响单光子探测。提出了四种保持变换的变换：一种理想化的（最优的）和三种更现实的（低于最优的）。我们的描述清楚地表明，非线性放大通常在与输入光子的频率$ω$不同的频率$ω'$下发生。这可以被利用来抑制热噪声，甚至进一步达到由放大到单个玻色子模式所施加的基本限制。一个非常符合我们描述的实际例子是电子货架。
2019-05-22 physics.optics quant-ph
