利用光子数分辨探测器将高斯态转换为非高斯态

高保真光子非高斯态的生成是利用连续变量平台实现通用量子计算的关键要素，然而高效生成此类态仍具挑战。我们提出一个通用框架，通过对多模高斯态的少数模式进行光子数分辨探测器测量，以概率方式生成多模非高斯态。我们所用的高斯元件由压缩位移真空态与干涉仪构成，唯一的非高斯元件为光子数分辨探测器。我们推导了输出 Wigner 函数以及依据高斯态的均值、协方差矩阵与光子探测图样生成该态的概率的解析表达式。我们发现输出态可写为 Fock 基叠加态后接一个高斯门，并推导了这些参数的显式表达式。这些解析表达式精确展示了该概率方案可生成何种非高斯态。此外，它提供了一种方法来搜索能以最优保真度与成功概率产生目标非高斯态的高斯线路与测量图样。我们给出了若干具体示例，如猫态、ON 态、Gottesman-Kitaev-Preskill 态、NOON 态与玻色码态的生成。所提框架对需要非高斯态的玻色纠错码生成、通用量子计算所需的非高斯门实现的资源态，以及其他需要非高斯性的应用具有深远的潜在影响。此处发展的工具亦可用于非高斯性的量子资源理论。