量子纠缠是量子物理研究及量子技术应用的核心资源，其产生途径主要有两种：一是粒子间直接的相互作用，二是基于量子纠缠交换（见图1）。后者可以在没有直接相互作用的独立粒子间建立纠缠，但纠缠交换需要预先制备纠缠态和贝尔态测量。尽管纠缠交换在量子网络中已得到广泛应用，但在没有直接相互作用的条件下产生纠缠的其他方案仍未得到充分探索。近期，南京大学马小松、祝世宁教授团队及其合作者提出并实验实现了基于光子路径全同性的纠缠建立（见图2）。
图1：量子纠缠交换
图2：基于路径全同性原理产生纠缠的实验设置。探测器从路径1，4上收集到一对纠缠态，使用绿色标记表示。这两条路径中的粒子之间无直接相互作用。
一、人工智能赋能：发现新型量子纠缠建立方法
首先，该工作利用了高效的量子光学实验设计框架 PyTheus [Quantum 7, 1204 (2023)]进行实验光路的构建。PyTheus是一个面向量子光学研究的人工智能模型。它通过图的表示法将复杂的量子实验抽象化，支持自动化设计与优化。PyTheus不仅可以帮助科学家设计新的量子实验和发现新的量子现象，还能在多种量子信息处理场景中提升效率。
图3：(a) 通过路径全同性产生纠缠。 (b) 通过降低P2和P3的泵浦强度，可以在仅探测一个辅助光子（2）的情况下，建立Alice与Bob间的纠缠。该方案也可以等价为一个包含两个双光子源（P2, P3）和两个单光子源（s1和s4）的实验。
通过 PyTheus设计的纠缠产生协议实验原理如图3所示。实验中，研究者制备了双光子的偏振直积态 |HV⟩（图3(a)，由白色方块表示的 P1-P4 光源产生），而非纠缠态。研究者通过交换来自P1和P2的辅助光子路径，并使其分别与来自P4和P3的光子路径重合，从而实现同路径的辅助光子不可区分。同时，在路径1和路径4上的信号光子引入了不同的偏振模式，从而将原本的干涉过程转化为纠缠产生过程，最终在 Alice 和 Bob 之间生成了偏振纠缠态（见图4）。
这一方法不同于传统纠缠交换，它依赖光子来源的不可区分性，而不是传统的贝尔态测量。通过路径的全同性，这一新机制成功实现了纠缠的生成。
图4：(a)Alice与Bob间关联函数结果。(b)Alice与Bob之间纠缠态的量子层析结果。
二、新方法的实验验证与潜在价值
研究团队的进一步实验表明，这一方法的另一个显著优势是：不需要探测所有辅助光子即可实现纠缠。研究团队通过调节光源 P2 和 P3 的产生效率（见图3(b)），发现仅探测路径2上的辅助光子即可实现纠缠产生。这一特性等效于使用两个双光子源（P2 和 P3）与两个概率性的单光子源（路径1和路径4上的 s1 和 s4）的组合进行实验。
这一研究成果以“Entangling Independent Particles by Path Identity”为题，发表在 Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 133, 233601 (2024)]。这是马小松、祝世宁教授团队继在量子延迟选择实验中成功观测光量子的波动性与粒子性的相干叠加 [Nat. Photonics 13, 872-877 (2019)]，以及非局域的多光子量子干涉 [Nat. Commun. 14, 1480 (2023)] 后，在量子物理基础实验领域内的又一重要工作。南京大学物理学院副研究员王凯和侯兆华博士为论文共同第一作者，马小松教授和德国马普所的 Mario Krenn 教授为通讯作者。南京大学祝世宁院士对该工作进行深入指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划、中央高校基础研究基金和量子科学技术创新计划等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理研究中心和合肥国家实验室的支持。
本研究得到国家自然科学基金委信息超材料基础科学中心和国家重点研发计划等项目资助。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.233601
课题组主页链接：https://qoqi.nju.edu.cn
