依据量子力学的基本原理，完美地克隆出未知量子态是不可能的。尽管如此，量子力学的基本原理并不禁止对未知量子态的非完美克隆，这使得实现量子克隆成为可能。量子克隆的概念自1996年被提出以来，受到了全球众多科学家的广泛关注，并在分离变量和连续变量领域都取得了极大的进展。在量子克隆的研究中，量子克隆保真度是衡量量子克隆性能的一个重要指标。量子克隆的克隆保真度与量子密码的安全性息息相关。因此，如何有效地提升量子克隆保真度成为了一个亟待解决的关键性问题。

        在连续变量领域，人们已经提出了一种基于低噪声线性放大器和光学分束器的全光最优化N到M量子克隆协议。全光最优化N到M量子克隆协议不仅可以避免之前连续变量量子克隆中所必须的光电和电光转换，而且可以显著地提升量子克隆保真度。因此，实验实现全光最优化N到M量子克隆十分重要。

        在本研究工作中，荆杰泰教授团队利用基于四波混频过程的低噪声线性放大器和光学分束器，在实验上实现了相干态的全光最优化N到M量子克隆。在此基础上，实验演示了全光最优化N到M量子克隆的克隆保真度随着原始副本数N的增加而增加，以及全光最优化N到M量子克隆的克隆保真度随着克隆数M的减少而增加。通过改变原始副本数N以及克隆数M，该团队最高实现了克隆保真度为93.3%的量子克隆。这些实验结果证明了通过全光最优化N到M量子克隆可以有效地增加量子克隆保真度。该工作为大幅提升量子克隆保真度提供了坚实的实验基础。

        在实验中，如图1(a)所示，该团队首先通过态制备装置（由一套光学分束器构成）来制备量子克隆中的N个原始副本，并通过能量集中装置（由一套光学分束器构成）完成对原始副本的能量集中。之后利用一个基于四波混频过程的低噪声光学参量放大器将能量集中后的态进行参量放大，并按照克隆份数M将放大后的态进行能量分配，从而完成对多个原始副本的全光量子克隆。最后利用一系列平衡零拍探测器来测量态的保真度，从而实现对全光量子克隆机的刻画。为了在实验上展示全光量子克隆机在提升量子克隆保真度方面的能力，该团队详细研究了原始副本数N以及克隆份数M对保真度的影响，实验结果如图1(b)所示。结果表明，增加原始副本数N以及减小克隆份数M均可以显著提升量子克隆机的克隆保真度，并最终实验实现了保真度高达93.3%的4→5相干态量子克隆。该研究成果发表于Phys. Rev. Lett. 126, 060503 (2021)。

图1: (a)全光量子克隆机实验装置示意图 。(b) 调控量子克隆保真度的实验结果。