自然界中最小的部分（例如像电子这样的单个粒子）几乎是可以互换的。电子不管它是被困在地球上的实验室里，还是束缚在一些月球尘埃中的原子上，或者是从过热喷流银河系外黑洞射出的。然而在实践证明中，能量、运动或位置的差异可以使区分两个电子变得容易。测试像电子这样的粒子相似性，一种方法是在相同时间和地点将它们聚集在一起，并寻找干涉，即当粒子(也可以表现为像波)相遇时产生的量子效应。
这种干涉对于从量子物理的基础测试，到量子计算机快速计算的一切都很重要，但创造这种干扰需要对难以区分的粒子进行精细控制。为了这些要求，联合量子研究所(JQI)和量子信息与计算机科学联合中心(QuICS)的科学家，已经拉伸了多个光子（光的量子粒子）并将三个不同脉冲转化为重叠的量子波。现在发表在《物理评论快报》期刊上的这项研究中，实现恢复了光子之间的干扰，并最终可能使一种特定类型的量子优势得以展示，这对于按照量子物理规则运行的计算机来说，这是一个明显的速度优势。
合著者，也是马里兰大学(University Of Maryland)物理学、电气和计算机工程的副教授，JQI研究员穆罕默德·哈菲兹(Mohammad Hafezi)说：虽然光子并不直接相互作用，但当它们相遇时，它们可以表现出经典、非量子波所没有的纯量子特征。这些天来，测试光子的相似性是例行公事，包括在一个叫做分束器的设备上将它们聚集在一起，并测量从另一边发出的光。当单个光子击中平衡分束器时，有50%的几率它会直接穿过，也有50%的几率它会在某个角度反射掉。
通过在这两条可能的路径上放置探测器，科学家可以测量单个光子最终飞行的方向。如果两个相同的光子在分束器处相遇，一个向东，另一个向北，那么对每个粒子单独应用的相同处理很有诱惑力。诚然，两个光子都有同等的机会穿透或反射，但因为光子是不可区分的，所以不可能分辨出哪个光子去了哪里。这种混淆的结果是，两种可能的组合（两个光子都直接穿过分束器，两个光子都反射）相互抵消，留下了一个明显的量子结果：光子组合起来，成对传播，最终总是在两个探测器中的一个上结束。
现在，来自UMD和朴茨茅斯大学的Hafezi和同事们观察到了可分辨光子的类似干涉效应，光脉冲只有两皮秒长(皮秒是万亿分之一秒)，间隔几十皮秒。关键的技巧是找到一种方法，使脉冲更难区分，这样它们就可以干扰。JQI的博士后研究员、研究的合著者Sunil Mittal说：研究使用的是一种光学元件，基本上是光纤。模拟大约150公里长的光纤拉伸光子。作用有点像反向的透镜，导致脉冲中的不同频率色散和离焦。通过将每个光子的长度延长约1000倍，可以有效地消除脉冲之间的时间延迟，并创建大的重叠部分。
这种重叠使得光子更有可能同时到达探测器并相互干扰。以前的实验(包括JQI和QuICS的Christopher Monroe及其合作者)已经成功地干扰了可区分的光子，但这些结果需要多个通道来接收入射光（每个光子一个通道）。这项新研究只使用了一个在标准电信频率上传输光的通道，这使得该研究系统可以很容易地扩展。拥有更多的光子将使研究人员能够研究玻色子采样，这是一个被认为对普通计算机来说太难的计算问题。在其标准形式中，玻色子采样关注光子（光子是一种称为玻色子的粒子家族成员）通过一个巨大的分束器网络。
光子通过不同的通道进入网络并退出到检测器，每个通道一个检测器。玻色子采样“问题”相当于进行复杂的硬币翻转，因为每个实验都从(比方说)在端口1，2和5进入网络的三个光子，将最终在输出2处结束的潜在机会进行采样，3和7.网络内部干扰是复杂的，不可能用普通的计算机跟踪（即使是适量的光子）而且添加的光子越多，它就越难跟踪。但有了真实网络中的真实光子，问题就会自行解决。这个实验与玻色子采样联系是一个很好的例子，说明量子多体物理和计算复杂性理论之间不断增长的协同效应，如何能够促使这两个领域的巨大进步。
但到目前为止，玻色子采样实验一直受到可扩展性问题的困扰：解决更多光子的问题意味着添加更多通道，这意味着占用更多空间，并对更多光子的到达进行计时，以确保它们的干扰，新技术潜在地解决了这两个问题。在系统中，输入不需要在不同的纤维中，所有的光子都可以在一根光纤中传播，并且可以用已经演示过的相同方法消除时间差。另一种现成的设备可以模仿分束器网络，好处是可以方便地重新配置，现在不做玻色子取样，但朝那个方向去做会相对容易。
博科园｜研究/来自：联合量子研究所
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.123603
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