近日，一項發表于《Nature Communications》的研究（論文編號：s41467-026-72850-6）展示了在可編程集成光子電路中成功模擬福克態量子光相干吸收的重要成果。該實驗使用了Cobolt公司生產的785 nm連續波二極管激光器作為核心泵浦光源。

01 非厄米量子系統與相干吸收

在量子光學中，非厄米系統通過非幺正演化實現量子態的操控，其中“相干吸收”是一個典型過程：量子光在特定損耗介質中發生相位依賴的部分或完全吸收。此前，相關實驗多依賴靜態、不可編程的光學元件，缺乏靈活性和可調諧性。

實驗裝置與光子芯片電路布局。a 實驗裝置示意圖。光子對通過785納米連續波激光泵浦的PPKTP晶體中II型自發參量下轉換(SPDC)產生。采用邊緣耦合器實現光芯片的輸入輸出耦合。輸入端使用光纖偏振控制器確保高效耦合至波導的TE模式，芯片輸出端則通過偏振旋轉使探測器達到最大效率。輸出光子由超導納米線單光子探測器(SNSPDs)(置于2.6K低溫恒溫器中)檢測，并通過Swabian時間標記器記錄符合計數。b 實驗中使用的8×8可編程光子芯片功能布局。該網狀結構包含三個有源子網絡：(i)用于制備單光子疊加態或NOON態的單MZI單元；(ii)實現CPA變換的核心三模可編程干涉儀；(iii)用于態分析的可分辨光子數MZI陣列。c 對應NOON態制備的片上Hong-Ou-Mandel干涉，采用三角函數y = a ? b∣x ? x0∣擬合顯示可見度為0.939。該干涉凹陷通過平移臺上棱鏡調節SPDC輸出路徑中光子對的相對延遲獲得。

02 可編程光子芯片上的量子模擬

集成光子模擬中的經典與量子相干吸收。a 有效損耗分束器處的經典相干吸收現象。兩束反向傳播的輸入光場干涉形成駐波，可分解為兩種模式的疊加：耦合至損耗通道的吸收模式（模式C）與完全透射的非吸收模式（模式S）。這兩個模式的相對權重由輸入光場間的相位差控制。該駐波圖像啟發了集成光子模擬設計（底部），其中平衡干涉網絡將行波輸入映射為駐波超模，并通過僅耦合模式C至吸收器實現吸收。b 單光子實現方案：在兩輸入模式中處于相干疊加態的單光子于網絡內發生單光子量子干涉，實現相位控制的吸收器耦合（圖示案例）。c 雙光子實現方案：雙光子量子干涉（如NOON態輸入）可實現多光子態的相位依賴相干吸收（圖示案例）。

相干完美吸收實驗示意圖。a理論合成流程示意圖：通過準酉擴展將2×2非酉散射矩陣嵌入3×3酉矩陣，并采用克萊門茨方案分解為馬赫-曾德爾干涉儀網狀結構。Rij表示準酉分解步驟產生的附加復數。b自由空間與集成光子實現相干吸收的概念對比。兩種情況下，輸入均為兩個空間模式（單光子態或雙光子NOON態）的量子疊加態。自由空間實現采用體光學50:50分束器制備該態，集成光子平臺則采用片上馬赫-曾德爾干涉儀，并通過外部SPDC源產生不可區分光子對。自由空間情形中，該態與靜態有損分束器（上圖綠色平面）相互作用，吸收率由輸入態的相對相位決定。集成版本使用可編程三模干涉儀（MZI1-MZI3）模擬此過程，可對模擬分束器的∣r∣、∣t∣、φrt和A進行調諧控制。其余所有片上MZI均配置為無源波導以傳輸光信號而不影響變換電路。探測通過預示測量（單光子態情形）或光子數符合計數（NOON態情形）實現。

該研究團隊設計并實現了一款基于硅光平臺的8×8可編程線性光子芯片，成功模擬了非幺正變換下的量子光相干吸收過程。具體工作包括：芯片內部集成了多個馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），通過熱光相移器實現精確相位控制。研究中重點使用了一個3模核心電路，模擬兩類不同參數的損耗分束器（Type 1 與 Type 2），并實現了對透射率、反射率、吸收系數及內部相位的完全可編程調節。芯片架構與功能芯片內部集成了多個馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），通過熱光相移器實現精確相位控制。研究中重點使用了一個3模核心電路，模擬兩類不同參數的損耗分束器（Type 1 與 Type 2），并實現了對透射率、反射率、吸收系數及內部相位的完全可編程調節。

輸入量子態制備單光子態 ：通過片上MZI將單個光子制備為雙路徑疊加態，輸入芯片進行實驗。雙光子NOON態 ：利用不可區分的雙光子通過片上MZI產生路徑糾纏的NOON態，用于更高精度的相位測量。

關鍵實驗結果單光子實驗展示了相位控制下的完美透射與完美吸收之間的連續調諧。雙光子NOON態實驗實現了確定性單光子吸收與概率性雙光子吸收的切換。觀察到了反聚束、聚束等非經典效應。通過經典Fisher信息分析，單光子態的相位靈敏度峰值達到1，NOON態達到3.4，超過了雙光子散粒噪聲極限（2），接近海森堡極限（4）。實驗與理論結果的Bhattacharyya重疊度高達0.93以上，驗證了高保真度的量子態操控。

意義與前景該工作展示了可編程、輔助模擴增的線性光路在量子態工程、量子濾波、復用傳感及非幺正量子模擬中的強大潛力，為未來集成量子處理器的發展提供了新路徑。

Cobolt激光器的關鍵作用：高品質糾纏光子對的產生

在這項實驗中，Cobolt 785 nm連續波二極管激光器 被用作自發參量下轉換（SPDC）過程的泵浦源。具體而言，Cobolt激光器的作用包括：

激發非線性晶體（PPKTP） ：激光器輸出的785 nm連續光泵浦周期性極化的KTP晶體，通過II型SPDC產生中心波長約1570 nm的關聯光子對。保證光子不可區分性 ：通過精確控制激光器的溫度與電流，確保產生的光子對在波長、偏振和時間上高度不可區分，這是實現高可見度（93.9%）Hong-Ou-Mandel干涉和高質量NOON態的關鍵前提。支撐高計數率與低噪聲 ：實驗中測得單光子計數率約150 kHz，雙光子符合計數率約30 kHz（2 ns窗口），同時通過heralded二階相關函數測量得到g2(0)=0.014，證明光源具備優異的單光子純度。

參考論文：Emulation of coherent absorption of Fock state quantum light in a programmable linear photonic circuit，《Nature Communications》，https://doi.org/10.1038/s41467-026-72850-6（2026年4月在線發表）