華東師大學者發現大幅提升量子糾纏容量和量子關聯度新方法!
2020-11-26 騰訊網
華東師範大學物理與電子科學學院精密光譜科學與技術國家重點實驗室荊傑泰教授團隊近期在量子通信以及量子精密測量領域連續取得重要進展，相繼發現大幅提升量子糾纏容量和量子關聯度的新方法，兩項相關研究成果均發表於國際物理學期刊《物理評論快報》上。
荊傑泰教授實驗團隊合影
量子通信研究
在量子通信研究方面，荊傑泰教授團隊利用光學軌道角動量這個自由度，在實驗上實現了一種光學軌道角動量復用的連續變量量子糾纏體系。該成果以「Orbital-Angular-Momentum Multiplexed Continuous-Variable Entanglement from Four-Wave Mixing in Hot Atomic Vapor」為題，於2019年8月發表在美國物理學會的《物理評論快報》（Physical Review Letters 123, 070506 (2019)）上。
該論文以華東師範大學為第一完成單位，精密光譜科學與技術國家重點實驗室的博士研究生潘曉州為論文第一作者，碩士研究生餘勝、周延芬、呂樹超以及博士研究生張昆、張凱、李思瑾、王偉都對論文有重要貢獻，荊傑泰教授為論文的通訊作者。
光學軌道角動量復用的連續變量糾纏系統示意圖、13對量子糾纏判定以及光學軌道角動量守恆驗證的相關實驗結果
近年來，量子通信領域發展迅速，而量子糾纏是量子通信中非常重要的量子資源。提高量子通信體系中的糾纏容量，從而提高量子通信的信道容量對於實現大尺度量子通信網絡至關重要。一方面，復用（Multiplexing）是提高經典通信系統信息承載能力的重要手段。而另一方面，光學軌道角動量（Orbital Angular Momentum）作為一個重要的物理量，引起了廣泛的研究興趣，由於光學軌道角動量具有無限帶寬，螺旋波前等性質特點，已經被成功應用於經典光通訊、光學操控微粒以及分離變量量子糾纏等領域。
荊傑泰教授團隊把復用的概念和光學軌道角動量自由度相結合，並應用於連續變量糾纏體系，從而提出了一種通過復用光學軌道角動量的不同模式來大幅度增加連續變量量子通信體系糾纏容量的方案，並且最終在實驗上得以實現。
Physical Review Letters 123, 070506 (2019)論文作者合影
在實驗中，該團隊利用熱銣原子系綜中的四波混頻過程產生了兩個量子關聯的孿生光束。在這兩個孿生光束通道中，系統同時確定性地產生了13對兩兩糾纏的拉蓋爾高斯（Laguerre-Gaussian）模式,即和，其中為LG模式對應的光學軌道角動量拓撲荷數，Pr和Conj代表兩個孿生光束通道。
該團隊發展了基於LG模式的量子糾纏探測方案，並利用這一探測方案成功在實驗上驗證了這些對應模式之間的量子糾纏特性。同時該工作還驗證了系統中和模式之間不存在量子糾纏,從而從連續變量體系的角度證明了在四波混頻過程中，非線性相互作用遵守光學軌道角動量守恆定律。此外，該工作還研究了四波混頻系統中三種不同類型的光軌道角動量相干疊加模式情況下的量子糾纏特性。
團隊系統地研究了泵浦光場的腰斑直徑大小對模式復用數目的影響，發現復用數目隨著泵浦腰斑的增加而有效增加。此研究首次提出了將光學軌道角動量復用的概念應用於連續變量量子體系，實現了光學軌道角動量復用的連續變量量子糾纏系統，從而大幅度提高了系統的量子糾纏容量。該工作為連續變量量子通信研究提供了一個嶄新的研究平臺和思路。
量子精密測量研究
在量子精密測量研究方面，荊傑泰教授團隊在實驗上利用幹涉（Interference）效應，在連續變量量子體系中實現了兩光束間以量子壓縮（Quantum Squeezing）表徵的量子關聯的增強。
該成果以「Interference-Induced Quantum Squeezing Enhancement in a Two-beam Phase-Sensitive Amplifier」為題於2019年9月發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters 123, 113602 (2019)）上。該論文同樣以華東師範大學為第一完成單位，精密光譜科學與技術國家重點實驗室的博士研究生劉勝帥和婁彥博為論文共同第一作者，荊傑泰教授為論文的通訊作者。
雙光束相敏放大器系統示意圖、系統輸出端的幹涉條紋以及幹涉誘導的量子壓縮增強實驗結果
量子壓縮是一種非常重要的非經典效應，它與量子物理中的「不確定性原理」密切相關，因此對於量子物理的基礎研究具有重要的科學價值。同時量子壓縮又可以大幅降低系統的量子噪聲，從而顯著提高系統的信噪比和靈敏度，因此它又在量子精密測量當中具有重要的應用價值。例如，量子壓縮可以用來提高雷射幹涉儀引力波天文臺、原子磁力儀和光機磁力儀的靈敏度。
此外，量子壓縮還可以用於優化雷射束定位、旋轉角測量以及時間傳遞等。可以說量子壓縮的壓縮程度直接決定了它對物理系統性能的改善程度。因此，增強量子壓縮對於量子精密測量至關重要的。
近幾年，基於原子系綜四波混頻過程的非相敏放大器被證明是產生量子壓縮的一種非常有效的方法。由該系統產生的量子壓縮光束在量子成像、量子糾纏延遲以及非線性幹涉儀等領域得到了重要的應用。與此不同，該團隊另闢蹊徑，在實驗上實現了利用相敏放大器中的幹涉效應來增強量子壓縮的方案。
Physical Review Letters 123, 113602 (2019)論文作者合影
在實驗中，該團隊分別測量了相同實驗條件下非相敏放大器和相敏放大器產生的強度差壓縮光束的量子關聯。實驗結果顯示相敏放大器產生的關聯光束的量子壓縮度要顯著優於非相敏放大器，並成功突破10dB。
研究發現這種量子壓縮的增強來源於理論預測中的一個幹涉項，因此該團隊在實驗上詳細分析了這一幹涉項中系統增益、注入光強度比例以及幹涉相位點對量子壓縮的調控作用，這些研究結果清晰地表明相敏放大器中的量子壓縮增強來源於其內在的幹涉本質。該工作是一種新的增強量子壓縮的有效方法，因此在提高量子測量的精度方面具有潛在的應用價值。
第一作者都是博士研究生
量子通信和量子精密測量是當前國際上量子信息技術發展中的兩大重要領域，該研究團隊在這兩個方面連續取得了重要進展，是長期積累的結果。
荊傑泰教授長期從事量子光學、原子分子光物理方面的實驗和理論研究，近年來在基於原子系綜量子光源的實驗產生及其在量子通信和量子精密測量的應用方面取得了系列研究成果。
相關成果相繼以通訊作者身份發表在本領域國際重要學術期刊上，包括Physical Review Letters以及Physical Review Applied等，相關研究成果受到多個國際國內同行研究組的系列引用。荊傑泰教授曾主持國家自然科學基金委重大研究計劃重點支持項目，曾入選教育部「新世紀優秀人才」、上海市「曙光學者」以及上海市「浦江人才」。
荊傑泰教授和實驗團隊成員
本次同刊發表的兩篇論文，第一作者均是該團隊的博士研究生。荊傑泰教授帶領學生進入當前國際上前沿的量子信息研究領域，鼓勵他們積極參與國際學術交流活動，充分激發出他們的研究興趣，使他們長期保持強烈的研究熱情。
「只有這樣，學生們在遇到科學或技術難題時才能攻堅克難，一直堅持下去。」 荊傑泰表示。截至目前，荊傑泰教授指導的研究生1人次獲得2014年王大珩高校學生光學獎、3人次獲得上海市優秀畢業生、8人次獲得研究生國家獎學金。
文、來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室
採訪｜呂安琪
圖｜李振東 部分由課題組提供
編輯｜吳瀟嵐
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