We present an experimental demonstration of heralded single photons prepared in pure quantum states from a parametric down-conversion source. It is shown that, through controlling the modal structure of the photon pair emission, one can generate pairs in factorable states and thence eliminate the need for spectral filters in multiple-source interference schemes. Indistinguishable heralded photons were generated in two independent spectrally engineered sources and Hong-Ou-Mandel interference observed between them without spectral filters. The measured visibility of 94.4% sets a minimum bound on the mean photon purity.

We present the first robust implementation of a coined quantum walk over five steps using only passive optical elements. By employing a fiber network loop we keep the amount of required resources constant as the walker's position Hilbert space is increased. We observed a non-Gaussian distribution of the walker's final position, thus characterizing a faster spread of the photon wave packet in comparison to the classical random walk. The walk is realized for many different coin settings and initial states, opening the way for the implementation of a quantum-walk-based search algorithm.

Multi-dimensional quantum walks can exhibit highly non-trivial topological structure, providing a powerful tool for simulating quantum information and transport systems. We present a flexible implementation of a 2D optical quantum walk on a lattice, demonstrating a scalable quantum walk on a non-trivial graph structure. We realized a coherent quantum walk over 12 steps and 169 positions using an optical fiber network. With our broad spectrum of quantum coins we were able to simulate the creation of entanglement in bipartite systems with conditioned interactions. Introducing dynamic control allowed for the investigation of effects such as strong non-linearities or two-particle scattering. Our results illustrate the potential of quantum walks as a route for simulating and understanding complex quantum systems.

Boson sampling has emerged as a tool to explore the advantages of quantum over classical computers as it does not require universal control over the quantum system, which favors current photonic experimental platforms. Here, we introduce Gaussian Boson sampling, a classically hard-to-solve problem that uses squeezed states as a nonclassical resource. We relate the probability to measure specific photon patterns from a general Gaussian state in the Fock basis to a matrix function called the Hafnian, which answers the last remaining question of sampling from Gaussian states. Based on this result, we design Gaussian Boson sampling, a $#\mathsf{P}$ hard problem, using squeezed states. This demonstrates that Boson sampling from Gaussian states is possible, with significant advantages in the photon generation probability, compared to existing protocols.

We investigate the impact of decoherence and static disorder on the dynamics of quantum particles moving in a periodic lattice. Our experiment relies on the photonic implementation of a one-dimensional quantum walk. The pure quantum evolution is characterized by a ballistic spread of a photon's wave packet along 28 steps. By applying controlled time-dependent operations we simulate three different environmental influences on the system, resulting in a fast ballistic spread, a diffusive classical walk, and the first Anderson localization in a discrete quantum walk architecture.

In quantum mechanics, measurement has a fundamentally different role than in classical physics. Now a general method has been devised to characterize a quantum measurement device, completing the suite of so-called tomography techniques required to fully specify an experiment. Measurement connects the world of quantum phenomena to the world of classical events. It has both a passive role—in observing quantum systems—and an active one, in preparing quantum states and controlling them. In view of the central status of measurement in quantum mechanics, it is surprising that there is no general recipe for designing a detector that measures a given observable1. Compounding this, the characterization of existing detectors is typically based on partial calibrations or elaborate models. Thus, experimental specification (that is, tomography) of a detector is of fundamental and practical importance. Here, we present the realization of quantum detector tomography2,3,4. We identify the positive-operator-valued measure describing the detector, with no ancillary assumptions. This result completes the triad, state5,6,7,8,9,10,11, process12,13,14,15,16,17 and detector tomography, required to fully specify an experiment. We characterize an avalanche photodiode and a photon-number-resolving detector capable of detecting up to eight photons18. This creates a new set of tools for accurately detecting and preparing non-classical light.

Optical metasurfaces open new avenues for precise wavefront control of light for integrated quantum technology. Here, we demonstrate a hybrid integrated quantum photonic system that is capable to entangle and disentangle two-photon spin states at a dielectric metasurface. By interfering single-photon pairs at a nanostructured dielectric metasurface, a path-entangled two-photon NOON state with circular polarization is generated that exhibits a quantum HOM interference visibility of 86 $\pm$ 4%. Furthermore, we demonstrate nonclassicality and phase sensitivity in a metasurface-based interferometer with a fringe visibility of 86.8 $\pm$ 1.1 % in the coincidence counts. This high visibility proves the metasurface-induced path entanglement inside the interferometer. Our findings provide a promising way to hybrid-integrated quantum technology with high-dimensional functionalities in various applications like imaging, sensing, and computing.

Distributed quantum information in networks is paramount for global secure quantum communication. Moreover, it finds applications as a resource for relevant tasks, such as clock synchronization, magnetic field sensing, and blind quantum computation. For quantum network analysis and benchmarking of implementations, however, it is crucial to characterize the topology of networks in a way that reveals the nodes between which entanglement can be reliably distributed. Here, we demonstrate an efficient scheme for this topology certification. Our scheme allows for distinguishing, in a scalable manner, different networks consisting of bipartite and multipartite entanglement sources. It can be applied to semi-device-independent scenarios also, where the measurement devices and network nodes are not well characterized and trusted. We experimentally demonstrate our approach by certifying the topology of different six-qubit networks generated with polarized photons, employing active feed-forward and time multiplexing. Our methods can be used for general simultaneous tests of multiple hypotheses with few measurements, being useful for other certification scenarios in quantum technologies.