随机结构超表面能否用于高维空间量子比特的量子态层析？

通过一组层析完备的测量来重建光子量子态的密度矩阵，即量子态层析，是量子科学与技术几乎所有应用中的一项基本任务，从量子传感到量子通信。光学超表面的最新进展使得设计能够执行此类态层析任务的超薄纳米结构光学元件成为可能，有望实现更高的简洁性、小型化和可扩展性。然而，已报道的用于此目标的超表面仅限于较小的希尔伯特空间维度，例如偏振量子比特或仅具有少数状态的空间量子比特。当扩展到更高维的量子比特层析问题时，特别是那些涉及空间量子比特的问题，一个自然的问题出现了：具有随机化纳米结构的超表面是否足以执行此类量子比特层析，并达到最优条件？在这项工作中，我们试图通过一组使用随机超表面的数值实验来回答这个问题，利用了对超过16,000个不同超表面的大规模模拟，每个超表面的尺寸都超过200个波长。我们表明，在探测器数量具有足够冗余的情况下，随机超表面在编码于厄米-高斯态的量子光子空间量子比特层析中，对于最多约10个状态表现良好。此外，我们讨论了在多光子情况下优化超表面的额外考虑因素。我们的工作为计算高效、小型化且容错的量子测量平台开辟了一条途径。