基于单光子的量子信息处理

光子因其易于分发和长寿命而成为量子信息的天然载体。本论文关注基于单光子的量子信息处理的多个相关方面。首先，我们通过称为 Bell 多端口的广义 N×N 对称分束器展示了 N 光子纠缠的产生。多种多样的 4 光子纠缠态以及 N 光子 W 态可以意外地以随 N 非单调递减的成功概率产生。我们还展示了同一装置可用于产生多原子纠缠。对多端口的进一步研究也引出了 Hong-Ou-Mandel 凹陷的多粒子推广，其适用于所有偶数输入端口的 Bell 多端口。接下来，我们展示了一种基于广义线性光学的光子滤波器，其成功概率与涉及的光子数无关而恒定。该滤波器具有已报道的最高成功概率且对干涉具有鲁棒性。最后，我们展示了如何使用仅线性光学资源以单位成功概率在两个遥远节点上执行重复至成功量子计算。我们进一步表明使用非全同光子源仍可实现鲁棒性，这说明了基于测量的量子计算的性质和优势。对同一装置的直接应用自然引出了按需任意多光子态产生。最后，我们展示了如何在不使用线性光学的情况下从杨氏双缝型实验中两原子发射检测光子的偏振纠缠，导致两原子也最大纠缠。