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Compact and programmable large-scale optical processor in free space
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DOI：10.1038/s41377-026-02236-2.png)
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摘要
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光子电路是经典和量子信息处理的核心。尽管集成技术占据主导地位，但自由空间架构正作为有吸引力的替代方案出现，它们提供宽带宽，并能直接操控光学模式，而无需在波导中限制。可扩展性的关键挑战在于电路深度，因为操控光场的层数通常随系统规模增长。在此，我们介绍了一个可编程的自由空间光子平台，该平台仅使用三层即可实现平移不变、高维幺正变换。信息编码在由圆偏振和量子化横向动量定义的结构化光模中，并通过与半波片交织的空间光调制器进行处理。我们实现了等效于最多30个时间步的量子随机游走幺正变换，在一维和二维晶格中，将单个输入模分布到超过7,000个输出模中，而传统方法需要数十或数百层。该平台支持多种量子随机游走动力学，包括无序、合成规范场和拓扑效应，这些此前仅在单独实验中探索过。通过使用时间标签相机进行符合检测，我们展示了其与量子光学协议的兼容性，并提供了 heralded 单光子的量子随机游走示例。这些结果有助于确立自由空间光学处理器作为高维量子模拟和可扩展光子信息处理的有前景的资源。
一个可编程的三层光子平台实现了大规模幺正变换，将输入场分布到数千个输出模中，以实现在自由空间中的可扩展光子信息处理。
Keyword:
Optical materials and structures
Optical physics
Quantum optics
Optics
Lasers
Photonics
Optical Devices
Microwaves
RF and Optical Engineering
Optical and Electronic Materials
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