近日，色情网站
孙麓岩教授研究组与中国科学技术大学邹长铃教授、李明副教授研究组，以及北京量子院于海峰研究员研究组合作，在《Nature Physics》发表题为《Principles of optics in Fock space for the scalable manipulation of large quantum states》的研究论文。研究团队提出了Fock空间光学（Fock-space optics）这一全新的量子态操控框架，将经典光学中的传播、折射、透镜、干涉、成像等基本原理引入高维量子态空间，并在超导量子器件中完成实验验证。该工作建立了经典光学与量子态演化之间的深层联系，为千光子规模的玻色量子系统控制及其信息处理，提供了一种全新的设计思想。
从求解薛定谔方程，到“设计光路”
三百多年来，经典光学凭借折射、透镜、干涉等成熟原理，无需求解复杂的麦克斯韦方程即可设计出强大的光学系统，极大推动了现代光学技术发展。相比之下，玻色谐振腔的无限维Fock空间是量子计算、通信、模拟、精密测量的重要资源，但其高维量子态的操控长期缺乏类似经典光学的直观设计语言：随着光子数增加，传统数值优化成本陡增，严重制约大光子量子态的确定性调控。
研究团队提出一个新思路：能否像经典光学设计光路一样，为高维量子态建立一种简单、直观且可扩展的设计方法？他们发现，在大光子数、弱驱动下，相邻Fock态间耦合趋于均匀，量子态演化方程与经典傍轴波动方程形式近似，量子态可视为在光子数“合成空间”中传播的光束。
由此，团队提出“Fock空间光学”控制框架，将经典光学元件概念迁移至量子态操控：不同控制脉冲对应于不同的“光学元件”，量子态则像光束一样在Fock空间中传播、偏折、聚焦和干涉。他们基于超导三维微波谐振腔搭建实验平台，在最高180光子范围内，系统演示了Fock空间中的一系列基本光学现象（图1）。
图1：Fock空间光学的概念和实验系统
在量子世界中“搭建光学系统”
研究团队用相干态模拟一束平行光，通过在频移下积累线性相位或在克尔非线性下积累二次型相位，分别在Fock空间实现了棱镜和透镜功能，展示了量子态的折射、聚焦和发散（图2）。利用凸透镜聚焦加上后选择，他们实现了大光子Fock态的高效制备，在光子数和制备成功率上均刷新世界纪录，且成功率理论上不会随光子数增加而明显下降。
图2：Fock空间中的棱镜和透镜
在此基础上，团队进一步展示了多项经典光学实验的Fock空间版本。在量子“牛顿分光实验”中（图3），Fock空间中的棱镜与透镜组合使相同初态因驱动频率不同而聚焦至不同Fock态。在Fock空间双缝干涉实验中（图4），他们利用“相空间弹弓”方法制备了双窄高斯分布量子态模拟双缝，改变其相对相位或双缝间距，所得条纹偏移和间距均与经典双缝干涉一致。最后，通过透镜前后引入弱驱动模拟物距与像距，当满足成像公式时，量子态可翻转形成倒立、放大的实像，放大率近似为像距与物距之比（图5）。
图3：Fock空间中的牛顿分光实验
图4：Fock空间中的杨氏双缝干涉实验
图5：Fock空间中的凸透镜成像实验
打开大规模量子态操控的新思路
这些实验结果表明，经典光学规律不仅适用于真实空间光传播，也可作为一种直观的物理语言，用于高维量子态的设计与操控。
该工作的意义不仅在于实现了更大光子数的实验演示，更在于建立了一种新的量子控制范式。Fock空间光学框架允许人们像搭建光学系统一样组合基本元件，直观设计量子态，无需每次都求解完整的薛定谔方程。这一思路有望显著降低大规模量子控制的复杂度，尤其适用于千光子以上量级的操控，为高维玻色量子计算、量子纠错、量子模拟和量子精密测量提供新的技术路径。
研究团队指出，Fock空间光学仍处于起步阶段。未来，经典光学中的反射镜、光栅、超表面等更多光学元件都有望发展出对应的Fock空间版本，构建更加丰富的量子“光学系统”。同时，该框架还可推广至机械振子、冷原子、离子阱等多种玻色量子平台，为高维量子系统建立统一而直观的操控语言。
研究团队
色情网站
博士后徐奕放、2023级博士生周亦龙和博士后华子越为论文共同第一作者。色情网站
孙麓岩教授、中国科学技术大学物理学院邹长铃教授和李明副教授为论文通讯作者。其他作者包括：色情网站
博士生孙立达、黄泓伟、肖林涛，助理研究员王韦婷，研究生校友周杰；中国科学技术大学蔡伟州副研究员；以及北京量子院于海峰研究员和薛光明副研究员。
研究得到国家科技创新2030、国家自然科学基金等方面的支持。
论文链接：//www.nature.com/articles/s41567-026-03370-9
采编 | 姜月亮
责编 | 吕厦敏
