光的量子态是量子信息技术的有用工具。它们对量子通信、网络和计量学尤其有利。它们也被认为是为量子计算构建可扩展架构的有竞争力的候选者。
关于如何从光中创建和编码量子比特，有多种选择。一种流行的方法是使用离散变量(DV)，其中偏振或光子数自由度通常用于量子比特编码。例如，通常使用单光子的水平和垂直偏振(双轨编码)以及量子化光模式的真空和单光子激发(单轨编码)。
然而，DV编码在光子量子信息应用中的局限性在于，确定性工作的多量子比特操作的成本很昂贵。其中一个典型的例子是贝尔态测量，它在光量子计算和通信中起着至关重要的作用。因此，光的DV编码很难有效地纠正量子计算过程中的错误，对于量子通信协议至关重要的量子中继器的效率也会降低。
作为一种替代方案，也可以在连续变量(CV)空间中观察量化光场的结构。这为编码、处理和测量量子信息提供了多种可能性。作为一个具体的例子，根据两个相反相位的相干态∣±α⟩|\pm\alpha\rangle (以及它们的叠加态，例如∣α⟩±∣−α⟩|\alpha\rangle\pm|−\alpha\rangle )进行量子计算的量子比特编码已被研究作为克服DV编码局限性的一种方法。这种叠加相干态的量子比特是s“猫态”，类似于薛定谔的猫悖论。它们使人们能够以更简单的方式执行近乎确定的贝尔态测量和双量子比特门操作。另一方面，它们未定义的光子数使它们对光子损失引起的探测效率低下和退相干相对更敏感。
Darras等人在《自然光子学》上报道了一种量子比特转换器，可以将DV量子比特传送到猫态量子比特。事实上，众所周知，结合DV和CV方法将为光子量子计算和通信提供强大的工具，因为它使人们能够利用这两种方法的优点。早期的工作已经实验证明了DV-CV混合纠缠，以及CV - DV和DV-CV传送器的原理验证演示。沿着这些思路，Darras等人的实验是朝着量子计算和通信的高效网络迈进的又一大步。
实验的第一部分是使用双模压缩态(TMSS1)、小位移操作(D)和单光子测量(SPM1)生成DV量子比特，如图1所示。双模压缩真空在每种模式中包含相同数量的光子。通过对两个纠缠模式中的一个进行小位移操作和随后的单光子测量，另一个场模式被有效地投射到真空和单光子的叠加上，即单轨编码中的DV量子位被创建。通过改变位移操作的强度，作者能够生成一组6个不同系数的DV量子位。
第二个并行部分是生成一个混合纠缠态，即DV量子比特和猫态量子比特之间的纠缠态。为此，另一个双模压缩态(TMSS2)和一个单模压缩态(SMSS)与第二个单光子测量单元(SPM2)一起使用，如图1所示。
这里有两点值得注意。首先，只有低数状态项在TMSS2中占主导地位，因为它的压缩程度(因此它的平均光子数)很小。其次，单模压缩态由于压缩程度小，很接近偶猫态，其形式为∣α⟩+∣−α⟩|\alpha\rangle+|−\alpha\rangle ，只包含偶数个光子；在这个实验中，SMSS就是这种情况。
图1所示。DV-CV转换器[14]的原理图。要转换的DV量子比特是使用双模压缩态(TMSS1)、位移操作(D)和单光子探测器(SPM1)生成的。DV-CV转换器由混合纠缠(HE)发生器和贝尔态测量(BSM)组成。当SPM2单击时，会产生混合纠缠态。如果带有光电二极管(P)和零差探测器(HD)的第二个单光子探测器(SPM2)的结果表明检测到一个单光子，DV量子位将转换为CV量子位。黑色竖条表示平衡分束器，绿色竖条表示不平衡分束器。
SMSS 的一小部分和 TMSS2 的一部分在平衡分束器处混合，然后执行 SPM2。当一个单光子在SPM2上被成功测量时，不可能知道这个单光子是来自TMSS2还是来自SMSS。这种不可区分性导致了如下两种可能情况的叠加。如果测量到的单光子来自SMSS，这意味着一个光子被有效地从SMSS中减去。SMSS将被改变为一个很好的近似于奇数猫态，∣α⟩−∣−α⟩|\alpha\rangle−|−\alpha\rangle ，它只包含奇数个光子。同时，真空部分是TMSS2最主要的术语。因此，在这种情况下，剩余的状态将近似于“真空状态和奇猫”，如∣0⟩(∣α⟩−∣−α⟩)|0\rangle(|\alpha\rangle−|−\alpha\rangle) 。在另一种情况下，即如果检测到的单光子来自TMSS2，则SMSS保持不变，而SPM2的单光子检测影响了TMSS2部分，使剩余的状态为“单光子状态和偶猫”，如∣1⟩(∣α⟩+∣−α⟩)|1\rangle(|\alpha\rangle+|−\alpha\rangle) 。因此，产生的总状态为∣0⟩(∣α⟩−∣−α⟩)+∣1⟩(∣α⟩+∣−α⟩)|0\rangle(|\alpha\rangle−|−\alpha\rangle)+|1\rangle(|\alpha\rangle+|−\alpha\rangle) ，即DV量子比特与cat量子比特之间的混合纠缠。通过这种方式，混合纠缠大约是由两个挤压器、光束分裂和单光子测量产生的。
剩下的关键部分是执行贝尔态测量，实现从DV到猫态量子比特的量子隐形传态协议。识别所有四个贝尔状态是非常困难的。从单轨DV量子比特到猫态量子比特的贝尔态测量可以使用50:50分束器和两个单光子探测器进行。这确定了贝尔的两个状态。
该方案通过使用带有分束器和光电二极管(P)的SPM3测量单个光子，只有效地检测到贝尔状态中的一种;为了确认SPM3探测到的“只有一个光子”的结果，他们使用了一个无差测量(HM)和一个额外的不平衡分束器，如图1所示。在不平衡分束器上，一小部分信号被发送到SPM3进行单光子测量，而另一侧的HM则用来近似确认剩余部分是真空。当SPM3咔哒作响时，同时当HM的结果在一个小窗口内“无光子”时，就预示着成功。这限制了协议的成功概率。
作者进行了量子态断层扫描来重建输入和输出量子位，并将它们进行比较，以检查隐形传态是如何运作的。他们在输入和输出量子位之间获得了大约80%的保真度，这超过了为其状态获得的经典界限(~ 74%)。他们还进行了量子过程断层扫描，以确认过程保真度(~ 58%)超过了已知的经典阈值1/2。
与之前演示的 DV 到 CV 传送器不同，该实验不依赖于数据的后选择。这使得该转换器在与外部电路和网络相结合时更加实用。另一方面，纠缠产生的近似特性和固有的低成功概率仍然是该协议的局限性。
由于DV和CV两种编码方式各有优点，因此将两种编码方式结合在同一个光电路或网络中是光量子信息技术未来发展的一个重要方向。因此，开发方便实用的技术，在不同形式的量子比特之间进行转换至关重要。因此，这项工作将刺激进一步令人兴奋的研究和开发，以将不同的编码方法与光场相结合。
