近日，辽宁大学物理学院玉素甫·吐拉克教授团队在连续变量非高斯量子态制备领域取得系列理论进展。团队基于光学参量放大器与光子数分辨探测相结合的预报架构，提出了一种可编程的非高斯量子态合成平台，实现了立方相位态、大振幅压缩薛定谔猫态以及宇称选择Fock叠加态的高保真制备。相关成果分别发表于国际知名期刊《Quantum Science and Technology》（中科院2区 Top期刊）和《Physical Review A》（中科院2区期刊）。
图一：量子态制备的模型图
研究背景
在连续变量量子信息处理中，高斯态是量子通信、量子测量和量子纠错研究的重要资源，但仅依靠高斯态和高斯操作无法实现通用量子计算。立方相位态、薛定谔猫态、GKP态等非高斯态，是实现通用量子计算、容错量子纠错和超越标准量子极限量子测量的关键资源。然而，高质量非高斯态的制备一直是实验和理论上的难点。
传统方案多采用光束分离器上的条件光子减法，但高阶光子减法成功概率随探测光子数增加而急剧下降，且缺乏灵活的可调自由度。光学参量放大器同时包含光子产生和湮灭过程，其增益可以作为额外的调控手段，为可编程非高斯态制备提供了新途径。
工作一：可编程光学参量放大器合成器
在第一项工作中，团队系统研究了光学参量放大器预报架构在任意闲频输入光子数和任意探测光子数下的输出特性，首次将输入和探测光子数的参数空间完整打开，并区分了两类物理功能：
1. 催化配置：闲频输入和输出光子数相同，闲频态被恢复，输入宇称保持不变；
2. 非催化配置：闲频输入和输出光子数不同，可实现宇称翻转放大，且成功概率通常更高。
研究发现，当信号输入为相干态时，该平台可在大量配置下生成立方相位态，保真度超过99%。其中催化配置和非催化配置均可获得高保真输出，为实验上平衡保真度与成功概率提供了灵活选择。
当信号输入为薛定谔猫态时，同一平台可将小振幅猫态放大为大振幅压缩猫态：输入振幅小于1的猫态，经单次预报可输出振幅大于2的压缩猫态，保真度保持在99%以上。其中催化配置可将奇猫态放大为压缩奇猫态；非催化配置可将偶猫态放大并翻转宇称为压缩奇猫态，保真度达到99.6%。放大后的输出还可作为下一轮放大的种子，形成自种子式逐步放大路径。
该成果以“Programmable optical parametric amplifier synthesizer for cubic phase states and amplified Schrödinger cat states”为题，发表于《Quantum Science and Technology》。
文章原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/aeb092
工作二：多光子预报生成大振幅压缩猫态与宇称选择Fock叠加态
在第二项工作中，团队进一步将光学参量放大器预报架构拓展到多光子输入与多光子探测情形，以压缩真空为信号输入，系统扫描了多种输入和探测光子数组合，发现该平台可等效实现高阶光子减法，有效减法阶数等于输入闲频光子数与探测光子数之和。
研究揭示了一条重要的配置选择规则：并非所有满足相同减法阶数的组合都产生猫态，不同的输入和探测光子数分配会导致定性不同的输出：
输入一个闲频光子、探测两个光子，等效三光子减法，产生压缩奇猫态，振幅约为1.732，保真度99.7%，单次成功概率约1.25%；
输入三个闲频光子、探测一个光子，等效四光子减法，产生压缩偶猫态，保真度约97.0%；
输入四个闲频光子、探测一个光子，等效五光子减法，产生大振幅压缩奇猫态，振幅约为2.236，保真度99.1%；
输入一个闲频光子、探测三个光子，产生偶宇称Fock叠加态；
输入一个闲频光子、探测四个光子，产生奇宇称Fock叠加态。
这一选择规则源于光学参量放大器主动非线性增益与输入压缩、探测光子数之间的协同作用，是线性光学方案所不具备的新自由度。
团队进一步引入相空间复杂度作为非高斯性的补充度量，发现即使在光子损耗导致维格纳负性消失的情况下，复杂度仍显著高于最小值，表明输出态在损耗下仍保留可用的量子资源。在相位估计应用中，部分预报态的量子费舍尔信息可达到海森堡标度，并在一定参数范围内具有增强的常数因子。此外，催化配置产生的压缩Fock叠加态与有限能量GKP码字具有约84.2%的相似度，为GKP态制备提供了初步线索。
该成果以“Multiphoton heralding generates large-amplitude squeezed Schrödinger cat states and parity-selective Fock superpositions from squeezed vacuum via an optical parametric amplifier”为题，发表于《Physical Review A》114卷，043703（2026年）。
文章原文链接：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/lnzc-6bgh
研究意义与展望
这两项工作相互补充，将光学参量放大器预报架构从单一态生成器提升为可重构、可编程的非高斯量子态合成平台。其核心优势在于：仅需中等光学参量放大器增益和低阶光子数分辨探测，实验上相对可行；通过选择不同的输入和探测光子数配置，可在保真度、成功概率和资源消耗之间灵活权衡；催化配置保持宇称并恢复闲频态，非催化配置可实现宇称翻转放大；输出态在光子损耗下具有较好的鲁棒性，相空间复杂度可作为抗损耗量子资源的指标。
团队表示，未来将进一步研究配置选择规则的解析判据，探索多级光学参量放大器串联的自种子放大方案，并推动与实验组的合作，优先实现成功概率较高、探测阶数较低的配置。该系列研究得到了国家自然科学基金的支持（No.12365005）。
第一作者及通讯作者：玉素甫·吐拉克，教授，硕士生导师。2015年中国科学院理论物理研究所博士，2013年3-5月日本理化所访问学者，2014年7-10月日本分子科学研究所访问学者，2015年7月至2017年10月北京计算科学研究中心、美国德州农工大学博士后。2020年10月晋升教授，2023年加入辽宁大学。新疆维吾尔自治区高层次人才，沈阳市高层次人才C类（领军人才）。主要从事量子弱测量技术及其应用、量子物理以及量子光学与量子信息理论方面的教学科研工作，至今发表SCI论文30余篇。
物理学院
2026年10月8日
