High-dimensional quantum process tomography with undetected photons
本文提出了一种用于高维量子过程断层扫描的干涉测量方法，该方法无需对变换后的量子态进行任何直接测量，即可完全重构作用于高维量子比特（qudits）上的任意操作。
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想象一下，你正试图弄清楚一台神秘机器究竟是如何改变你放入其中的物体的。在量子物理的世界里，这种机器被称为“量子过程”，而它所改变的物体则是被称为“光子”的微小光粒子。为了理解这些机器是如何运作的，科学家通常必须在粒子离开机器后将其捕捉并进行测量。但问题在于：有时粒子会变成我们的眼睛和照相机无法看到的颜色或类型的光，或者我们现有的探测器不够好，无法捕捉到它。这就像是试图通过只观察魔术师的手来弄清魔术的原理，但真正的戏法却发生在你不被允许进入的房间里。这是一个大问题，因为科学家希望利用这些高维量子态来构建超快速、超安全的通信网络，但如果他们看不见结果，就无法对其进行妥善测试。
这正是通过一个被称为“路径恒等性”（path identity）的巧妙技巧所引入的新思路。把它想象成一场用光进行的“传声筒”游戏。科学家不再去观察那个经过神秘机器的粒子，而是创造了一个完全没有经过机器的孪生粒子。通过让这对孪生粒子的路径匹配得如此完美，以至于无法分辨彼此，那个“未受影响”的孪生粒子就开始携带起它的伙伴所经历变化的秘密指纹。这使得科学家只需观察那个安全完好的孪生粒子，就能重构出整个机器的操作过程，而无需捕捉那个经历了未知过程的粒子。
萨里尼·拉杰夫（Salini Rajeev）和马尤克·拉希里（Mayukh Lahiri）的论文将这一概念推向了前所未有的高度。以往的实验仅将这种“孪生”技巧用于那些仅仅是重新排列事物而不损失能量（称为“酉型”操作）的机器；而作者们展示了该方法对于混乱的、现实世界的机器同样有效。在现实世界中，机器往往会损失能量，或者以不完美的方式改变事物，这些被称为“非酉型”操作。团队证明，即使机器是不完美的，表现得像一个漏水的木桶而非完美的洗牌机，你仍然可以完整地绘制出它所做的所有动作。他们利用一种特殊类型的光——“轨道角动量”（你可以将其想象为光像软木塞一样旋转）进行了演示，表明通过仅测量那个安全、未受影响的孪生光子，他们就可以在数学上重建整个神秘机器的蓝图。
研究人员并不只是在猜测这是否可行；他们利用量子场论建立了一个详细的数学模型来证明这一点。他们展示了通过对安全的孪生粒子施加一个已知的、受控的扭转（即“酉变换”），并观察两束光如何相互干涉，他们就能读取出未知机器的精确设置。他们用一个带有损耗特征的特定非酉型机器实例测试了他们的理论，其方法成功检索出了描述该机器运作方式的所有隐藏参数。该论文证实，这种“未探测光子”方法是一个强大的新工具。这意味着在未来，即使量子设备输出的光波长范围目前还不存在探测器，科学家们或许也能测试并验证这些复杂的量子设备，从而为探索光频谱的新领域打开了大门。
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