Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase
本文表明，手性耦合双能级发射器中的纯去相干破坏了负责非线性的双光子振幅，而非旋转保持在 的条件相位，从而导致量子光子神经网络中产生一种标准分解方法无法捕捉的不可训练误差。
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在构建一种利用光而非电的新型计算机的过程中，科学家们正在寻找让单个光子（即光粒子）彼此相互作用的方法。通常情况下，光束会直接穿过彼此而互不干扰，就像在平行高速公路上行驶的两辆汽车。然而，为了构建处理器，研究人员需要这些光粒子能够相互影响，从而创建一个能根据另一个信号的存在来开启或关闭信号的开关。实现这一目标的一种极具前景的方法是使用一种被称为“量子发射器”的微小人工原子，并将其放置在引导光的微观通道内。当单个光子撞击这个发射器时，它会被吸收并重新发射，但其中包含一个关键的转折：光的波形会发生翻转，有效地将一个正峰值变为一个负峰值。这种翻转是一种特定的相位变化，相位决定了波如何与彼此对齐。如果这套系统运行完美，它将可以作为量子网络的基石，允许利用光进行复杂的计算。
挑战在于现实世界是混乱的。实验中使用的这些人工原子是固态器件，这意味着它们是由不断因环境而抖动和振动的材料制成的。这些振动会导致原子失去其内部节奏，科学家称这一过程为“纯去相干”。多年来，理论家们一直假设这种节奏的丧失会简单地模糊掉这种精细的相位翻转，使得开关效果变差或改变翻转的角度。普遍的担忧是，随着环境变得更加嘈杂，光的精确时序会发生漂移，从而破坏逻辑门。这种不确定性一直是设计可靠量子网络的主要障碍，因为工程师需要知道这些组件在现实条件下是否能够保持稳定。
来自女王大学的一个研究小组现在通过一项精确的理论调查解决了这个问题。他们计算了当包含两个光子的光脉冲撞击一个嘈cia（嘈杂）、振动的发射器时究竟发生了什么。他们的研究揭示了一个令人惊讶的事实：噪声完全没有模糊相位翻转。相反，无论发射器如何抖动，相位翻转都始终锁定在完全相同的角度。噪声并没有旋转波形，它只是让波形变小了。研究人员发现，虽然携带相位信息的信号强度随着环境变得更加嘈杂而减弱，但该信号的方向却保持得非常完美。相位是被钉住的，而不是被旋转的。
这一发现改变了我们对这些系统失效方式的理解。事实证明，问题不在于丢失了正确的逻辑，而在于丢失了信号的音量。研究人员表明，噪声破坏的是振幅（即光波的高度或强度），而不是相位（即波的时序）。在一个完美的世界里，如果系统不完美，单个光子和一对光子都会被以相同的程度减弱。然而，研究发现，噪声对它们的影响是不同的。两光子信号在噪声中的生存能力远高于单光子信号。这意味着系统不仅仅是变安静了，它还改变了其特性。系统处理单光子与双光子的方式之间的平衡发生了偏移，这种偏移是无法通过仅仅调节机器上的旋钮来修复的。
研究人员通过将他们新的数学公式与另一种追踪系统所有可能状态的高度详细模拟方法进行对比，验证了他们的发现。两种方法完全一致，证实了他们新公式的正确性。他们还检查了结果与假设不存在噪声的旧理论，发现当噪声关闭时，他们的新方法与这些旧结果相匹配。这使他们对所描述的噪声系统的准确性具有高度信心。他们工作的一个关键部分是纠正了一个关于如何计算两个光子行为的常见错误。以往的方法假设两个光子的行为可以通过简单地将两个单光子的行为相乘来预测。研究人员证明，一旦引入噪声，这种假设就会失效，导致在预测有多少光子对能够存活时产生显著误差。
这些发现对于构建量子计算机具有深远意义。由于相位即使在信号减弱时仍保持完全正确，开关的基本逻辑得以保留。然而，由于信号强度下降以及单光子与双光子受影响程度不同，工程师不能简单地将噪声视为光的普遍变暗。他们必须考虑到系统处理不同数量光子时存在的特定畸变。这种畸变是材料和环境的固定属性，意味着它无法通过软件进行训练或修正。研究人员得出结论，虽然相位门在时序方面按预期工作，但代价是对比度的损失，即信号变得难以从背景中区分出来。这一见解为未来的设计提供了清晰的路线图，表明研究重点必须从试图修复相位转向管理信号强度的不等损失。
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