糾纏本身不會糾纏光

2020-09-16 新浪探索

混沌的光斑：光被諸多如多模光纖之類的複雜介質擾亂後而產生的圖案

　　據國外媒體報導，在使糾纏光通過一條2米長的多模光纖之後，娜塔莉亞·赫瑞拉-瓦倫西亞和她的同事們成功地將該糾纏光恢復到原狀。在梅於爾·馬利克的帶領下，愛丁堡赫瑞瓦特大學的研究團隊利用糾纏本身解決了這個難題。參與這項研究的還有格拉斯哥大學的一位研究人員。最近發表於《自然物理學》上的論文詳細描述了該研究。

　　通過無序（或「複雜」）介質（如大氣霧氣或多模光纖）的光會以已知方式散射。結果就是，光攜帶的信息雖然能夠得以保留，但會失真。因此，需要額外的步驟來獲取這些信息。當傳輸的是糾纏光時，這就變得十分棘手，因為介質會擾亂量子相關性。狀態被「加擾」，要找回原來的糾纏態就必須得先「解擾」。

　　糾纏解救糾纏

　　為理解複雜介質，物理學家使用傳輸矩陣（即一個二維複數陣列），來預測任何物質通過介質後的結果。傳輸矩陣理論，再加上技術中的一些關鍵發展，直至最近才使得經典光可通過複雜介質傳播。在這項研究中，愛丁堡的研究團隊將傳輸矩陣的概念，拓展應用到了量子光學領域。

　　一種被稱為「信道狀態對偶性」的屬性讓研究人員得以僅使用一個量子糾纏態（一對屬性相互關聯的光子），作為探針來提取介質的完整傳輸矩陣。這與構建矩陣的經典方式不同。經典方式須讓多個光探針穿過介質，來獲得完整的矩陣。

　　當他們知道介質如何加擾信息後，赫瑞拉-瓦倫西亞和她的同事們就可以使用相同的矩陣來消除介質的影響。在這裡，糾纏又一次使出了巧妙花招：和解擾通過光纖的光不同，研究人員可以加擾其「糾纏孿子」，從而無需穿過介質就可以得到相同的結果。他們使用名叫「空間光調製器」（SLM）的設備對光進行加擾。該設備可以影響光場分布。

　　處理更高維度

　　與二維量子位相比，高維度糾纏態具有更大潛力，因為它們可以攜帶更多信息，對噪聲也具有更強的魯棒性。但是這些狀態也更容易受到環境變化的影響。

　　該研究通過對空間中六維糾纏態保留的描述，解決了量子光學中的一個重大難題。「量子位糾纏已經擁有該技術，可以處理不受信道影響的自由度（如偏振化）。但是，當涉及到高維度糾纏態時，空間模式編碼就存在很多問題，」馬利克解釋說。像波前畸變這樣簡單的東西也可能會擾亂信息。

　　為創建和測量高維度糾纏態，物理學家經常使用的一個概念叫做空間自由度。在這項研究中，研究小組以空間「像素」為基礎。他們將連續的位置空間劃分為離散的區域或像素。這樣一來，如果在一個結構中的第一個像素內檢測到光子，那麼在另一個結構中的第一個像素內也應該能檢測到這個光子的糾纏孿子。像素的數量決定了系統中可能發生的最大糾纏維度。像素基點在質量、速度和維度方面，表現都十分出色。更重要的是因為，空間光調製器可以實現精確且無損的控制。

　　對量子技術的影響

　　除了增加糾纏態的維度和解決長光纖中的色散等問題之外，該研究團隊也在探索，如何將複雜信道等同於量子態的想法應用於簡化攜帶大量信息量子態的測量。

　　研究團隊還在他們的論文中提到，該技術甚至可以用於在生物組織等動態介質中傳輸高維度糾纏。糾纏光也可以通過兩個獨立的信道發送，控制其中任一一個信道都可以影響整個狀態，當然也就會影響另一個信道。研究人員寫道：「這種功能或許可以在量子網絡場景下或非侵入性生物成像中發揮作用。因為在這些情況下，觸達複雜系統的每一個部分可能不太現實。」（勻琳）

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