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Laser & Optoelectronics Progress

量子压缩增强的超灵敏光力传感（特邀）

张圣典 Zhang Shengdian, 王婕 Wang Jie, 张骞 Zhang Qian, 林惠祖 Lin Huizu, 景辉 Jing Hui

Published Jan 1, 2025• 4 citations
Publisher

Abstract

杂化量子系统被视为推动量子科技突破和量子科学持续发展的关键平台。其中，腔光力杂化系统凭借其高集成度和强操控性，在电声光转换、量子态制备和量子精密测量等领域展现出显著应用价值，并被Nature誉为光子学发展史上的里程碑。近年来，激光冷却技术和微纳加工技术的进步显著增强了对原子、光子和电子等微观量子系统的调控与观测能力，测量技术从经典灵敏度逐步迈向基于量子效应的超灵敏传感，实现指数级的性能提升。在此背景下，本文综述了利用量子压缩提升量子传感性能的最新进展，重点讨论了量子压缩在实现超灵敏量子传感中的关键优势。更广泛地说，量子压缩增强的超灵敏量子传感为引力波探测、暗物质搜寻、量子照明和生物粒子追踪等前沿研究提供了潜在的突破性途径。

DOI
10.3788/lop250675

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多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

腔量子电动力学中光子阻塞效应的研究进展（特邀）

唐静 Tang Jing, 邓元刚 Deng Yuangang

光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

量子信息技术的新范式：手性量子光学的研究进展与应用（特邀）

李恩泽 Li Enze, 王天宇 Wang Tianyu, 史保森 Shi Baosen

手性作为物质的基本特性之一，在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来，光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展，为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中，局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联，从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设，催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术，包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面，以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展，还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此，手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如，如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗，以及表征复杂系统中的手性相互作用，仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用，并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•1 citation

基于光力学的声学量子态调控与应用的研究进展（特邀）

陈培钦 Chen Peiqin, 唐锦道 Tang Jindao, 曾李平 Zeng Liping +11 more

光力系统中的声学量子态作为研究量子技术的重要工具，在量子通信、量子计算和精密测量等领域有着重要地位。本文首先综述了光力系统中的声学量子态的发展，包括光声相互作用的基本物理过程、光力系统中声学量子态的产生与调控，并重点介绍了光力系统中的声学量子态在微波-光转换、片上信息处理、精密测量和杂化系统等应用方向的研究进展，以及存在的优势与面临的挑战。最后讨论了光声晶体中的声学量子态未来的发展方向，包括发现更多的光声耦合机制、提高光声耦合强度、突破量子极限、器件的大规模集成化制备，以及与更多其他体系杂化以扩展更多应用。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•0 citations

基于轨道角动量的经典关联光全息

邹子玥 Zou Ziyue, 孙亦凡 Sun Yifan, 孔令军 Kong Lingjun

随着光学调控技术的不断发展，人们已经实现了利用多种光学自由度完成的全息成像，其中包括经典光的轨道角动量全息术。结合量子纠缠光的性质研究，近年来，还实现了基于纠缠光子对的轨道角动量全息技术，并展现出了优于经典光轨道角动量全息术的精度和稳定性，具有良好的应用前景。然而，与经典光源相比，量子纠缠光源的实现需要满足更复杂的条件，这使得其优势难以在实际应用中发挥作用。为此，提出了一种利用经典光的关联性质来实现轨道角动量全息的设计方案，并通过理论推导和数值模拟，验证了其可行性。结果表明，该方案与利用量子纠缠实现的轨道角动量全息效果相似。这种利用经典关联光实现轨道角动量全息的方案不仅拓展了经典光学关联的理论价值和应用方向，还提供了一种利用低成本来改进现有全息技术的思路。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

集成光子伊辛机：原理、架构及应用（特邀）

刘洁 Liu Jie, 董家恺 Dong Jiakai, 万艺斌 Wan Yibin +1 more

伊辛机是一种受伊辛模型启发的模拟计算设备，能够高效求解传统计算架构中难以有效处理的高复杂度组合优化问题。近年来，得益于集成光子器件的低传输损耗、高响应带宽、多维并行处理能力以及紧凑尺寸和高稳定性等优势，集成光子伊辛机受到广泛关注。该设备特别适用于对空间、能耗、延迟和稳定性要求严苛的数据中心、高速通信及边缘计算等应用场景。围绕片上集成光子伊辛机展开综述：首先，介绍适合部署于伊辛机上的组合优化问题类型，并探讨其映射到伊辛模型的具体方法；随后，对近年来提出的基于不同自旋演化机制的片上集成光子伊辛机架构进行分类总结；最后，聚焦几种典型应用场景，分析相关组合优化问题转换为伊辛模型的具体途径，并探讨集成光子伊辛机在这些场景中的部署要求。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation
杂化量子系统被视为推动量子科技突破和量子科学持续发展的关键平台。其中，腔光力杂化系统凭借其高集成度和强操控性，在电声光转换、量子态制备和量子精密测量等领域展现出显著应用价值，并被Nature誉为光子学发展史上的里程碑。近年来，激光冷却技术和微纳加工技术的进步显著增强了对原子、光子和电子等微观量子系统的调控与观测能力，测量技术从经典灵敏度逐步迈向基于量子效应的超灵敏传感，实现指数级的性能提升。在此背景下，本文综述了利用量子压缩提升量子传感性能的最新进展，重点讨论了量子压缩在实现超灵敏量子传感中的关键优势。更广泛地说，量子压缩增强的超灵敏量子传感为引力波探测、暗物质搜寻、量子照明和生物粒子追踪等前沿研究提供了潜在的突破性途径。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。
手性作为物质的基本特性之一，在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来，光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展，为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中，局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联，从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设，催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术，包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面，以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展，还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此，手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如，如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗，以及表征复杂系统中的手性相互作用，仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用，并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。
光力系统中的声学量子态作为研究量子技术的重要工具，在量子通信、量子计算和精密测量等领域有着重要地位。本文首先综述了光力系统中的声学量子态的发展，包括光声相互作用的基本物理过程、光力系统中声学量子态的产生与调控，并重点介绍了光力系统中的声学量子态在微波-光转换、片上信息处理、精密测量和杂化系统等应用方向的研究进展，以及存在的优势与面临的挑战。最后讨论了光声晶体中的声学量子态未来的发展方向，包括发现更多的光声耦合机制、提高光声耦合强度、突破量子极限、器件的大规模集成化制备，以及与更多其他体系杂化以扩展更多应用。
随着光学调控技术的不断发展，人们已经实现了利用多种光学自由度完成的全息成像，其中包括经典光的轨道角动量全息术。结合量子纠缠光的性质研究，近年来，还实现了基于纠缠光子对的轨道角动量全息技术，并展现出了优于经典光轨道角动量全息术的精度和稳定性，具有良好的应用前景。然而，与经典光源相比，量子纠缠光源的实现需要满足更复杂的条件，这使得其优势难以在实际应用中发挥作用。为此，提出了一种利用经典光的关联性质来实现轨道角动量全息的设计方案，并通过理论推导和数值模拟，验证了其可行性。结果表明，该方案与利用量子纠缠实现的轨道角动量全息效果相似。这种利用经典关联光实现轨道角动量全息的方案不仅拓展了经典光学关联的理论价值和应用方向，还提供了一种利用低成本来改进现有全息技术的思路。
伊辛机是一种受伊辛模型启发的模拟计算设备，能够高效求解传统计算架构中难以有效处理的高复杂度组合优化问题。近年来，得益于集成光子器件的低传输损耗、高响应带宽、多维并行处理能力以及紧凑尺寸和高稳定性等优势，集成光子伊辛机受到广泛关注。该设备特别适用于对空间、能耗、延迟和稳定性要求严苛的数据中心、高速通信及边缘计算等应用场景。围绕片上集成光子伊辛机展开综述：首先，介绍适合部署于伊辛机上的组合优化问题类型，并探讨其映射到伊辛模型的具体方法；随后，对近年来提出的基于不同自旋演化机制的片上集成光子伊辛机架构进行分类总结；最后，聚焦几种典型应用场景，分析相关组合优化问题转换为伊辛模型的具体途径，并探讨集成光子伊辛机在这些场景中的部署要求。