信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張曉倩副教授課題組兩篇論文被量子信息領(lǐng)域國(guó)際知名期刊錄用
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張曉倩副教授團(tuán)隊(duì)在量子信息領(lǐng)域取得新進(jìn)展，兩篇研究成果分別發(fā)表于《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）和《Physical Review A》（PRA）。
PNAS（美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊）創(chuàng)刊于1914年，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院主辦，是國(guó)際頂尖綜合性學(xué)術(shù)期刊之一，在自然科學(xué)、工程技術(shù)及交叉學(xué)科領(lǐng)域具有廣泛影響力。該期刊實(shí)行嚴(yán)格的同行評(píng)審制度，錄用率約為13%，長(zhǎng)期發(fā)表具有原創(chuàng)性和跨學(xué)科意義的重要研究成果，在全球科研界享有較高聲譽(yù)。《Physical Review A》由美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Physical Society，APS）出版，是物理學(xué)領(lǐng)域的重要專(zhuān)業(yè)期刊之一，主要涵蓋量子信息、量子光學(xué)、原子分子物理及基礎(chǔ)量子理論等方向，在量子信息與量子物理研究領(lǐng)域具有較強(qiáng)的國(guó)際影響力，是相關(guān)領(lǐng)域的重要的學(xué)術(shù)交流與成果發(fā)布平臺(tái)。此次兩篇論文分別聚焦光量子模塊高效評(píng)估與單次查詢(xún)條件下量子操作分辨兩個(gè)方向，體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在集成光量子芯片與量子信息處理領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新能力。
論文一：通過(guò)兩光子高維干涉高效評(píng)估光學(xué)量子模塊
該論文以暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院為第二署名單位。張曉倩副教授與中山大學(xué)物理學(xué)院博士研究生羅茂林（現(xiàn)就職于粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心）為共同第一作者，中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周曉祺教授為獨(dú)立通訊作者。
研究?jī)?nèi)容：
暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系張曉倩副教授與中山大學(xué)物理學(xué)院、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周曉祺教授合作，提出了一種基于兩光子高維Hong–Ou–Mandel干涉的光量子模塊高效評(píng)估方法。該方法通過(guò)顯著降低量子器件性能表征所需的測(cè)量資源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光量子模塊保真度的精準(zhǔn)評(píng)估，為大規(guī)模光量子系統(tǒng)的可靠構(gòu)建提供了新思路，具備更強(qiáng)的可擴(kuò)展性和實(shí)驗(yàn)友好性。此次合作成果將為未來(lái)光量子信息技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域的進(jìn)步。
隨著量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子模塊的精準(zhǔn)測(cè)試與校準(zhǔn)需求日益迫切。尤其在光學(xué)量子電路中，模塊性能的可量化可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與運(yùn)行效率。然而，傳統(tǒng)評(píng)估方法——如量子過(guò)程層析、直接保真度估計(jì)以及隨機(jī)基準(zhǔn)測(cè)試——往往依賴(lài)大量測(cè)量設(shè)置與實(shí)驗(yàn)資源，測(cè)量開(kāi)銷(xiāo)隨系統(tǒng)維度迅速增長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足高維度、大規(guī)模光量子系統(tǒng)的發(fā)展需求。
圖1 兩光子量子模塊評(píng)估概念圖
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩光子量子模塊評(píng)估方法（TQME）。該方法通過(guò)引入光子路徑與時(shí)間模式等多自由度編碼，通過(guò)高維 Hong–Ou–Mandel（HOM）干涉，將量子模塊的性能評(píng)估轉(zhuǎn)化為兩光子干涉統(tǒng)計(jì)分布的測(cè)量與重構(gòu)。與傳統(tǒng)表征方法相比，TQME 僅需固定的一組測(cè)量設(shè)置，且測(cè)量資源不隨系統(tǒng)維數(shù)顯著增長(zhǎng)，在資源效率與可擴(kuò)展性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證方法的有效性，團(tuán)隊(duì)在硅基集成光量子芯片平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選取 Hadamard 門(mén)及代表性的任意幺正變換作為目標(biāo)操作，并構(gòu)建 21 組不同模塊組合進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度一致，驗(yàn)證了該方法在復(fù)雜模塊結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性與可靠性。該工作為光量子模塊的高效性能評(píng)估提供了一種資源節(jié)約且可擴(kuò)展的新范式，為高維光量子系統(tǒng)的精確標(biāo)定與規(guī)模化構(gòu)建奠定了重要基礎(chǔ)。
圖2 TQME方法評(píng)估光學(xué)模塊性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
論文二：利用局部運(yùn)算和經(jīng)典通信在可編程硅光子芯片上實(shí)驗(yàn)性單查詢(xún)區(qū)分糾纏酉方
該論文以暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院為第一署名單位。張曉倩副教授為獨(dú)立第一作者，中山大學(xué)物理學(xué)院博士研究生李志浩（現(xiàn)就職于光庫(kù)科技股份有限公司）與羅茂林（現(xiàn)就職于粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心）為共同通訊作者。研究工作還得到了中山大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院及量子計(jì)算與軟件研究所李綠周教授的支持與參與。
研究?jī)?nèi)容：
暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系張曉倩副教授團(tuán)隊(duì)在硅基集成光量子芯片平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了單次查詢(xún)條件下基于局部操作與經(jīng)典通信（LOCC）的兩量子比特糾纏幺正操作分辨。該研究通過(guò)對(duì) PD、MED 和 UD 三種判別策略進(jìn)行系統(tǒng)比較與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在資源受限條件下完成了糾纏量子操作的有效區(qū)分，為單次查詢(xún)場(chǎng)景下量子操作識(shí)別問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了可行路徑。
在量子信息處理中，量子操作的精確識(shí)別是量子算法驗(yàn)證、量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和量子安全通信的重要基礎(chǔ)。然而，在實(shí)際物理系統(tǒng)中，查詢(xún)次數(shù)往往受到嚴(yán)格限制。單次查詢(xún)問(wèn)題因其資源最少、約束最強(qiáng)，被認(rèn)為是量子操作分辨中最具挑戰(zhàn)性的情形之一。傳統(tǒng)全局測(cè)量策略通常依賴(lài)復(fù)雜的聯(lián)合操作和較高維度的測(cè)量資源，在單次查詢(xún)條件下實(shí)現(xiàn)難度較大。因此，在單次查詢(xún)資源限制下，探索可實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的分辨方案具有重要意義。
圖3單次查詢(xún)下基于局部操作和經(jīng)典通信（LOCC）策略進(jìn)行幺正操作分辨的示意圖。（a）完美分辨（PD）和最小誤差分辨方案（MED）。（b）準(zhǔn)確無(wú)誤分辨方案（UD）。
實(shí)驗(yàn)在可編程硅基集成光量子芯片平臺(tái)上完成。團(tuán)隊(duì)對(duì) MED、UD 和 PD 三種區(qū)分策略進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在單次查詢(xún)條件下，UD 方案在成功判別概率上整體優(yōu)于 MED 方案，且實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)保持高度吻合，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方案的穩(wěn)定性與可靠性。
圖4硅基集成光量子芯片實(shí)現(xiàn)平臺(tái)
本研究得到廣東省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2023A1515011556）、2024年度廣州市科技局“啟航”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2024A04J3268）、中央高校教育教學(xué)改革專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：82624636）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金以及廣東省量子科學(xué)與工程重大科技專(zhuān)項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：GDZX2303007）的支持。相關(guān)研究依托中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及物理學(xué)院科研平臺(tái)完成。
責(zé)編：李梅