物理学界长期认为，光子图态在量子信息处理领域具有重要价值，但受制于制备难度，其潜力一直难以充分发挥。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院研究人员近日提出一项被称为“先发射后添加”（emit-then-add）的新协议，用于生成多光子高度纠缠态，并强调该方案可与现有实验硬件兼容。相关成果已发表于《npj Quantum Information》。

研究团队指出，纠缠是实现更快速、更安全计算与信息系统的关键要素，但当纠缠光子数超过两个时，构建大规模纠缠态面临显著挑战。光学系统的固有损耗使得光子源成功产生并最终存活至探测端的概率偏低，导致在尝试构建大规模纠缠态时容易出现“缺失光子”，从而使量子态结构破裂。与此同时，若要定位缺失位置通常需要对光子进行探测，而探测过程具有破坏性，且无法在事后回填缺失的光子。

为绕开上述限制，由物理学副教授Elizabeth Goldschmidt与电气与计算机工程教授Eric Chitambar领导的团队选择从“可实现性”出发重新设计制备流程。Goldschmidt表示，团队在研究中将关注点从追求最理想的最终态，转向评估在现有资源条件下能够完成的操作，并在此过程中认识到，在不少有用场景中对光子进行破坏性测量是可接受的。

在这一思路下，研究人员提出“虚拟图态”范式：只有在确认探测到光子之后，才将其“添加”进虚拟图态并扩展纠缠结构。研究团队称，这一做法可将制备过程的主要限制从通常更为突出的光子损耗，转移到用于发射光子的自旋量子比特相干性上，而后者在某些系统中可以保持较长时间。

研究人员同时指出，若未来能够实现对光子的非破坏性测量，该协议在功能上可实现完全通用；但在当前硬件条件下，这一能力尚不可行。为此，团队提出一类可在破坏性测量条件下运行的协议，并给出一个示例用例：在现有标准实验设备上，通过反复生成小型图态来执行基于安全的两方计算。

论文共同第一作者、研究生Max Gold表示，该方案在概念上具有一定反直觉性：协议构建的是跨不同光子的量子相关性，但这些光子并不需要在自然界中同时存在；尽管可将其描述为单一量子态，态中的量子比特并非同时出现。

研究团队认为，该方法若在实验中实现，可用于基于测量的量子计算、安全的两方计算以及量子传感等方向。论文共同第一作者、研究生Jianlong Lin表示，该方案有望在多种实验平台上落地，即便是在传统上光子收集效率较低的发射器平台（如离子阱和中性原子）上也具备可行性。

研究人员介绍，下一步工作将围绕实验实现展开：Goldschmidt的实验室计划推进协议落地，Lin将继续负责实验环节并启动早期阶段；Gold则将从理论侧进一步识别该方法所生成图态的潜在应用场景。Goldschmidt表示，希望这项工作能够促使更多研究在现实硬件约束下评估可实现的量子协议与应用。