线性光量子计算

线性光量子计算或线性光学量子计算（LOQC）是一种量子计算的范式，允许（在某些条件下，如下所述）通用量子计算。LOQC使用光子作为信息载体，主要使用线性光学元件，或光学仪器（包括互换镜和波板）来处理量子信息，并使用光子探测器和量子存储器来检测和存储量子信息。

尽管有许多其他的量子信息处理（QIP）和量子计算的实现方式，但光量子系统是突出的候选者，因为它们将量子计算和量子通信联系在同一框架内。在用于量子信息处理的光学系统中，特定模式下的光单位或光子被用来代表一个量子比特。量子态的叠加可以很容易地用光子来表示、加密、传输和检测。此外，光学系统的线性光学元件可能是实现量子操作和量子门的最简单的构建模块。每个线性光学元件相当于在有限数量的量子比特上应用一个单元变换。有限线性光学元件的系统构建了一个线性光学的网络，它可以实现任何量子电路图或基于量子电路模型的量子网络。在线性光学方案下，具有连续变量的量子计算也是可能的。1位和2位门实现任意量子计算的普遍性已经被证明。最多可以达到)只需使用镜子、分束器和移相器即可实现（这也是玻色子采样和LOQC计算复杂性分析的出发点）。它指出，每个线性光学元件。基于普遍性和复杂性的原因，LOQC通常只使用镜子、分束器、移相器和它们的组合，如带移相的马赫-曾德干涉仪来实现任意量子算子。如果使用非确定性方案，这一事实也意味着LOQC在实现某个量子门或电路所需的光学元件数量和时间步骤方面可能是资源效率低下的，这是LOQC的一个主要缺点。通过线性光学元件（这里指的是分光镜、反射镜和移相器）进行操作，可以保留输入光的光子统计。例如，相干（经典）光输入产生相干光输出；量子态输入的叠加产生量子光态输出。

由于这个原因，人们通常使用单光子源的情况来分析线性光学元件和运算器的效果。多光子的情况可以通过一些统计变换来暗示。使用光子作为信息载体的一个内在问题是，光子之间几乎没有相互作用。这有可能导致LOQC的可扩展性问题，因为非线性操作很难实现，这会增加运算器的复杂性，从而会增加实现特定计算功能所需的资源。解决这个问题的一个方法是将非线性器件引入量子网络。例如，克尔效应可以被应用到LOQC中，以使单光子控制-NOT和其他操作。

人们认为，在线性光学网络中加入非线性就足以实现高效的量子计算。然而，要实现非线性光学效应是一个困难的任务。2000年，Knill、Laflamme和Milburn证明了仅用线性光学工具就可以创建通用的量子计算机。他们的工作被称为KLM方案或KLM协议，它使用线性光学元件、单光子源和光子探测器作为资源，构建了一个只涉及理事会资源、量子远程传输和错误校正的量子计算方案。它采用了另一种用线性光学系统进行高效量子计算的方式，仅用线性光学元件来促进非线性操作。从根本上说，KLM方案通过用光电探测器进行投影测量，诱发了光子之间的有效互动，这属于非确定性量子计算的范畴。它的基础是两个量子比特之间的非线性符号转移，它使用了两个Ancilla光子和后选。它还基于这样的证明：通过使用非决定性准备的纠缠态和单量子位操作的量子传送，可以使量子门的成功概率接近1。