光子在通过线性媒质时不会发生相互作用，因此是信息传输的理想载体。然而需要在光子之间做量子门操作时，该特性则又是不利因素。常用的光子间量子门是概率性的，由干涉提供相互作用，投影测量提供非线性，确定性的门操作则需要非线性媒质，且一般需要通过后选补偿损耗。

近日，苏黎世联邦理工大学的研究人员通过巡游光子和量子比特之间的可控耦合，实现了确定性且无后选的巡游光子的单双比特量子门。实验中，其结构包含源比特（source qubit）、门比特（gate qubit）和转换器，三者都采用transmon结构，且源比特和门比特分别通过可调耦合器耦合到转换器，转换器再耦合到波导，两段波导则用环行器串起来。当用磁场调耦合并让转换器和对应比特或另一个转换器共振，可实现光子的发射和吸收，即SWAP操作。用一个源比特发射光子，然后把光子比特的信息SWAP到门比特上，对门比特做单比特量子门，再SWAP回来，就是光子比特的单比特门。把一个光子比特的信息SWAP到门比特上，利用|f0>和|e1>相互作用，即实现门比特和另一个光子比特之间的CPHASE门，再SWAP回去，就是两个光子比特之间的CPHASE门。实验得到X、Y、T这些单比特门保真度达到75%，两比特CPHASE门则为57%，主要受限于环形器导致的光子损耗和其他退相干因素。

巡游光子之间确定性、无后选的量子门操作在量子网络、全光的连续变量和单向量子计算等应用中有重要的价值，但仍然还需要进一步提高门保真度。

论文信息：https://arxiv.org/abs/2106.03481