--- title: "让腔里的光子数回到指定目标" description: "制备指定数态，与控制器报告自己找到了它，有什么区别？" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/quantum-feedback-photon-number-verification/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/quantum-evidence/quantum-feedback-photon-number-verification/" last_modified: "2026-10-27" --- [量子物理：读懂证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/) 诺奖 A · 证据与操控 # 让腔里的光子数回到指定目标 Sandbox Physics · 2026-10-16 制备指定数态，与控制器报告自己找到了它，有什么区别？ ## 想要的光子数，得自己把它稳住 2011 年，Sayrin 和同事想做的不只是数光子。他们要指定一个数，让腔内光场接近这个目标；光子丢失以后，还能把它拉回来。原子接连穿过微波腔，带出储存光场的信息。计算机根据结果估计状态，再指挥微波源作小幅修正，形成一条测量、判断、行动的反馈回路。 只测量，也能让光场逐渐落到某个确定的数态，也就是光子数恰好固定的状态。但结果有随机性，未必是事先指定的那个数。反馈多做了一步：偏离目标时，实际改变光场，让后续结果更接近目标。评价它时，成功概率和等待时间都要算进去，尤其要说明是否只在等到有利结果后才宣布成功。 证据阅读：C. Sayrin et al. (2011), Real-Time Quantum Feedback Prepares and Stabilizes Photon Number States — author manuscript, arXiv:1107.4027; Nature 477, 73–77 ## 同一均值可以藏着不同状态 假设目标是恰好两个光子。真空和四光子各占一半的混合态，平均光子数也是二，却从来不含两个光子。只读均值的仪器会说没有误差，能分辨光子数的测量却会发现，目标态的布居是零。 这里目标是已知的纯态，保真度说的就是：作理想测量时，得到指定光子数的概率。式中带下标 t 的 n 是目标光子数，rho 描述光场的量子态，F 是目标态所占的概率。它适合回答有没有制备到目标；若要重建任意光场，包括不同数态之间的相干，还得取得更多信息。 $$ F_{n_{\mathrm t}}=\langle n_{\mathrm t}|\rho|n_{\mathrm t}\rangle $$ 证据阅读：S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 位移操作不会恰好补上一个光子 2011 年的执行器给光场加一小段可控的波，量子光学里叫位移操作。它并不在计算机怀疑少了一个光子时，恰好补上一个。即使从空腔开始，加上这样的波，得到的也是几种光子数都有概率出现的状态。 探测和修正轮流上场：先用原子探针收窄几种可能，计算机按现有记录选下一次小修正，再让后续探针检查效果。修正动作本身允许光子数有分散，和持续测量配合，却能逐渐把光场引向一个确定目标。 计算机估计状态时，要用到制备过程、探针标定、此前动作和最新原子读数，还要考虑光场弛豫与探测误差。没被探测到的原子，也可能已经与光场作用过。原子飞到探测器要时间，它改变光场的时刻和结果到达的时刻之间，还有一段延迟。 原始读数、估计出的光子数分布、发给微波源的指令，是三条带各自时刻的记录。一次修正只能使用当时已经知道的消息。等探测结果传回来，光场可能又变了。 证据阅读：C. Sayrin et al. (2011), Real-Time Quantum Feedback Prepares and Stabilizes Photon Number States — author manuscript, arXiv:1107.4027; Nature 477, 73–77 ## 停下反馈，再送一批原子检查 怎样知道光场真的接近目标？研究者先中断反馈，再送入额外的探针原子。新数据根据已标定的探针响应重建光子数分布，独立于反馈时使用的估计器。原文还比较了两种停止方式：到固定时间就停，以及等估计的目标概率持续达到阈值才停。 按阈值停下的那组，最终保真度可能更高，因为程序一直在等有利的证据；固定时间停下的那组，还包括一些跳变之后尚在恢复的轨迹。把两组柱形当成同一个协议的结果来比，就掩盖了花掉的时间，也模糊了“成功”的定义。 因而还要报告等到停止所花时间的分布。 证据阅读：C. Sayrin et al. (2011), Real-Time Quantum Feedback Prepares and Stabilizes Photon Number States — author manuscript, arXiv:1107.4027; Nature 477, 73–77 ## 丢失之后，还能重新靠近目标 在理想的真空损耗通道里，每个光子各自独立、以相同概率存活，所以一个数态丢失第一个光子的速率与光子数成正比。目标光子数越大，控制器获取信息和采取行动的时间就越短；热增益和实验误差还会让要求更高。 这项任务要稳定的是一个已知数态。保护任意未知的编码信息，还需要别的方法，因为测出光子数可能破坏编码所需的相干。这里，光子数正是控制器想知道的量。反复探测、逐步修正，让光场在量子跳变之后重新接近那个指定的状态。 证据阅读：S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture ## 未知消息要换一种检查方法 要保护未知量子比特，可以检查数据比特之间的关系。三比特重复码的两次检查，分别问相邻的比特是否一致。全零和全一的编码都给出同样的回答；两者的叠加也能保留未知的相对振幅，因为检查分不出这两条消息。一个比特翻转，会改变特定的一组回答。这组结果叫综合征，可以据此选出修复。 只查是否一致，会漏掉相位错误：检查可以全部安静，对相位敏感的消息却已改变。Laflamme 等人 1996 年发表的五比特码，用四次检查区分十五种单比特 Pauli 错误和无错误的情况。检查理想时，它能保护任意量子比特，抵抗任一个数据比特上的错误；多个错误和检查本身出错，还需要更多保护。实验可以预先制备已知目标，最后检验是否恢复成功，但这个检验会消耗量子态，不能拿来逐条读出纠错中的未知消息。 证据阅读：IBM Quantum Learning, Stabilizer codes: repetition, five-qubit and syndrome decoding R. Laflamme et al. (1996), Perfect Quantum Error Correction Code ## 接着操作模型 下面这些教学 Lab 产生的是模拟数据，和上文讨论的历史观测不是一回事。 - [拿新的核验数据对照一个适用范围明确的反馈模型](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cavity-photon-qnd-feedback/) - [比较损耗与退相位](https://sandboxphysics.com/zh/labs/decoherence-channels/) - [区分估计态与核验数据](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-state-process-tomography/) - [读出错误，保留编码消息](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-error-correction/) ## 来源与阅读说明 本文依据 Sayrin 等人 2011 年的 Nature 论文及其 arXiv 稿中的位移执行器、延迟估计和两种停止协议，并参考 Haroche 已发表的讲稿。“均值相同”的例子和真空损耗极限是说明性计算。所链 QND Lab 限于有限数态对角模型，执行器采用已声明的随机数目跳变，与历史相干位移不同。核验阶段使用另外生成的探针结果，继续探测同一个演化中的腔；这并不表示腔状态在统计上独立。本次没有重新拟合历史光谱或保真度。 1. [IBM Quantum Learning, Stabilizer codes: repetition, five-qubit and syndrome decoding](https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/foundations-of-quantum-error-correction/stabilizer-formalism/stabilizer-codes) 2. [R. Laflamme et al. (1996), Perfect Quantum Error Correction Code](https://arxiv.org/html/quant-ph/9602019v1) 3. [C. Sayrin et al. (2011), Real-Time Quantum Feedback Prepares and Stabilizes Photon Number States — author manuscript, arXiv:1107.4027; Nature 477, 73–77](https://arxiv.org/pdf/1107.4027) 4. [S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture](https://journals.aps.org/rmp/pdf/10.1103/RevModPhys.85.1083) [黑体辐射：证据是一整条曲线](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/blackbody-spectrum-planck-wien/) [光电效应：电压还不是电子的能量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/photoelectric-stopping-potential-contact/) [油滴实验：从下落时间里找出电荷单位](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/millikan-oil-drop-charge-inference/) [原子谱：定态的证据，不是轨道的照片](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/atomic-spectra-stationary-states/) [Franck–Hertz：下降的电流能证明什么](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/franck-hertz-discrete-excitation/) [Compton 散射：光还要平衡动量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/compton-scattering-energy-momentum/) [de Broglie：物质的波长，波包的速度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/de-broglie-matter-waves-phase-packets/) 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