中國科大首次實現高保真度 32 維量子糾纏態
2020-09-05 IT之家IT之家9月3日消息 中國科學技術大學發布最新消息，郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恆研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實現了高保真度32維量子糾纏態。該成果8月28日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
相比二維系統，高維量子糾纏態在信道容量上有著巨大的優勢。然而要展示這一優勢，必須要實現高保真度高維量子糾纏態的製備、傳輸與測量。此前在光學系統中人們廣泛採用光子的軌道角動量、時間或頻率自由度進行編碼，但還沒有一個系統能夠同時很好的解決高維量子糾纏態的製備、傳輸與測量的困難。
IT之家了解到，李傳鋒、柳必恆等人另闢蹊徑，於2016年開始採用光子的路逕自由度進行編碼，並取得一系列成果，包括解決路徑比特的相干性問題[Phys. Rev. Lett. 117, 220402, (2016)]，製備出高保真度的三維糾纏態[Phys. Rev. Lett. 117, 170403, 2016]，演示超越二維信道容量極限的量子密集編碼[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]，最近則採用商用多芯光纖解決高維糾纏的傳輸問題，實現了四維量子糾纏態在11公裡光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]。
然而隨著維度數的增加，量子系統的複雜度及操控與測量難度都指數增加。為了解決維度擴展問題，研究組在實驗上設計出緊湊的光學分束器來實現光學分束與合束，並採用空間光調製器精確地對每一束光進行強度和相位調製。研究組還與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，理論上給出了一種高效的高維糾纏態的認證方法。對一個32維糾纏態而言，完整的量子態層析技術需要進行一百萬次測量（32^4）才能確定量子態的信息，而該方法只需要一千次測量即可完成。最終研究組在實驗上實現了32維量子糾纏態，並測定其保真度為0.933。32維的高維糾纏態維度數創造了當前世界最高水平。
本成果為進一步實現各種高維量子信息過程和研究高維系統的量子物理基本問題打下重要基礎。
文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室特任副研究員胡曉敏博士和博士研究生邢文博。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。
圖1、上圖為實驗裝置示意圖。下圖則展示了緊湊的光學分束器以及利用空間光調製器進行調製的過程。
圖2、糾纏態保真度隨維度變化曲線。理論模擬結果展示了實驗方案的可擴展性。
文章連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.090503
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