在可编程线性光子电路中模拟费米子态量子光的相干吸收

这项工作为何重要

现代依赖光的技术——如光纤网络和量子计算——通常将光损耗视为不受欢迎的问题。本文把这个观念颠倒过来。作者展示了如何通过精心设计的损耗来塑造单个光子行为，从而打开通向新型传感器、滤波器和量子技术模拟器的大门，这些器件都可以构建在紧凑的芯片上。

用损耗塑形光

当光穿过材料时，通常会有一部分被吸收并转化为热能。如果两束光从相反方向照到同一个吸收体上，它们的波动可以在空间上相加或相消，形成亮区和暗区。取决于波峰如何对齐，吸收体可以吞噬几乎全部光或让大部分光通过。这种现象称为相干吸收，已在普通激光束中用于开关和信号控制。在这项工作中，作者探究了当光由单光子或精心制备的光子对组成，且吸收体不再是简单的平板而是蚀刻在硅芯片上的可编程光学电路时会发生什么。

芯片上的可编程光学游乐场

研究团队将器件由八通道的波导网络和微小干涉仪（称为马赫–曾德尔干涉仪）构建而成。通过加热芯片上的特定区域，他们可以精细调整不同路径的相位和分束比，从而对电路进行编程。一个关键技巧是模拟有损耗的光束分离器——一种在传输和反射光的同时将部分光送入隐藏“环境”的元件。芯片并未真正销毁光子，而是将其引导到一个额外的输出通道，充当辅助模式（ancilla）。这种方法将不可逆过程（损耗）嵌入更大的可逆演化之中，使研究人员能够实现任意非酉变换，同时仍能对每一个光子进行计数。

单光子：在损耗与存活之间引导

为了测试电路，作者首先注入一个被分成两条路径的平衡叠加态单光子。通过调整这两条路径之间的相对相位，他们可以选择该光子是表现为与有效吸收体强耦合的“亮”模态，还是绕过它的“暗”模态。在测量中，当他们调节该相位时，辅助通道中的光子计数平滑上升或下降，在特定设置下几乎出现完全吸收。与此同时，两条主输出中的剩余光显示出干涉条纹，其可见度和相对相位取决于有效吸收体的参与强度。通过对大量探测事件的统计，作者计算了经典费舍尔信息——衡量装置对微小相位变化敏感程度的指标，结果发现单光子探针的相位灵敏度可达到该探测器的基本极限。

纠缠光子对：增强的传感与奇异干涉

当输入为二光子 NOON 态（两光子要么一起走一条路，要么一起走另一条路的一种特殊纠缠光）时，实验变得更为丰富。这一态的相位累积速率是单光子的两倍，因此检测到的条纹重复频率也提高一倍。在同一芯片上，研究人员观察到某些工作区间中恰好一光子总是被丢入辅助通道而其伴侣从主输出离开；也有其他区间中两光子以高概率被共同吸收。他们还观察到簇集（bunching）与反簇集（anti‑bunching）效应，即光子在某些编程的损耗模式下倾向于一起从同一端口离开，或被迫分开进入不同端口。将测量结果与详细理论比较后，他们发现高度一致，表明芯片准确实现了期望的变换。关键的是，对于这些纠缠输入，总费舍尔信息达到约 3.4——超过两光子独立探测的标准散粒噪声极限，并接近两光子相位测量的终极量子极限。

从量子滤波器到更智能的传感器

除了展示对光子吸收的精细控制外，这项工作还为未来量子光子系统提供了一个多功能的构件。由于损耗通过将光引导到单独模式而被模拟，而非直接销毁，“丢失”的光子原则上可以被测量或回收利用。这使得同一芯片适用于如量子态滤波（仅移除某些叠加态）的任务，也适用于模拟与周围环境交换能量的开放量子系统。对相位信息如何在不同输出模式之间分配的可编程性，提出了用于自适应和多路复用量子传感的新策略，在这些策略中多个探测器共同承担读取微弱信号的任务。简言之，作者表明经过精心设计的损耗、并在可编程芯片上实现，可以成为追求实用量子技术过程中的强大资源，而非掣肘。

引用: Krishna, G., Gao, J., O’Brien, S. et al. Emulation of coherent absorption of Fock-state quantum light in a programmable linear photonic circuit. Nat Commun 17, 4211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72850-6

关键词: 量子光子学, 相干吸收, 集成光子电路, NOON 态, 量子传感