利用结构化介质对光子量子比特进行单次采集层析成像

量子态层析成像是表征量子系统的基本工具，支撑着几乎所有量子技术的实验实现。传统层析成像依赖于对量子态的许多相同副本执行一系列投影测量，需要在连续采集之间重新配置测量装置。随着Hilbert空间维度的增加，所需测量的数量迅速增长；在实践中，通常执行额外的过完备测量以提高对实验缺陷的鲁棒性。在这里，我们介绍一种基于结构化各向异性介质的层析成像平台，该平台在单次采集中对光子偏振量子比特执行信息完备测量。该方法采用三个具有空间变化光轴取向的液晶超表面，将输入偏振转换为离散横向动量模式的远场分布。每个衍射图案唯一地确定偏振态，从而无需顺序改变测量装置即可重建。与先前的实现不同，我们的方案本质上与光子数无关：相同的光学器件对任意光子数均相同地工作，而所需的光子数扇区可以通过后续选择相应的$n$重符合事件来事后选择。我们实验演示了单光子和双光子偏振态的单帧量子态层析成像，为高效量子态表征提供了一条简单且可扩展的途径。