SPDCinv：高维量子比特的逆量子光学设计

量子光学中的自发参量下转换是实现光空间模式高维量子比特的宝贵资源。主要开放挑战之一是如何在SPDC过程中直接生成所需的量子比特态。该问题可通过先进的计算学习方法解决；然而，由于难以用考虑所有相互作用效应的完全可微算法对SPDC过程建模，进展一直受限。在此，我们克服这些限制并引入一种物理约束的可微模型，该模型针对整形泵浦光束和结构晶体经实验结果验证，能够学习过程中的每一个相互作用参数。我们规避了物理模型随机性带来的任何限制，并积分了支配SPDC哈密顿量下演化的动力学方程。我们求解了设计非线性量子光学系统以实现下转换光子对所需量子态的逆问题。所需态由不同空间模式间的二阶关联定义，或 by 指定所需密度矩阵定义。通过学习非线性体全息图及不同泵浦形状，我们成功展示了如何生成最大纠缠态。此外，我们模拟了通过主动改变泵浦光束剖面实现对所生成量子态的全光相干控制。我们的工作可应用于高维量子密钥分发和量子信息处理协议的新颖设计等。另外，我们的方法可轻易用于控制在SPDC过程中光的其他自由度，如谱和时间特性，甚至可用于具有类似相互作用哈密顿量的凝聚态系统。