華東師範大學科研團隊在量子隱形傳態方面獲重要突破

華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室荊傑泰教授團隊利用前期發展的光學軌道角動量復用的連續變量糾纏源結合全光量子隱形傳態協議，在國際上首次實驗成功構建了多通道復用的全光量子隱形傳態協議，為發展高容量連續變量量子信息協議奠定了重要的科學基礎。

荊傑泰教授團隊

在量子信息科學中，量子隱形傳態是最重要和極具吸引力的協議之一，利用該協議可以實現對未知量子態無實體地高保真異地傳輸。量子隱形傳態的概念自1993年被提出以來，受到了全球眾多科學家的廣泛關注，並在實驗和理論方面都取得極大的進展。尤其是近年來我國科學家在遠距離星地以及光纖通道量子隱形傳態方面更是取得了一系列突破性進展。

信息容量是衡量經典通信體系性能的一個重要指標，其對於構建量子信息體系也同樣重要。荊傑泰教授團隊長期致力於發展高容量量子信息體系。

近年來該團隊充分利用原子系綜四波混頻體系的空間多模特性，發展了光學軌道角動量復用的連續變量糾纏源，先後實現了十三通道兩光束[Physical Review Letters 123, 070506(2019)]以及九通道三光束[Physical Review Letters 124, 083605(2020)]糾纏源。

這些系列工作由於在單一體系中實現了多套量子糾纏源的並行產生，從而極大地提高了系統的糾纏容量，為發展高容量的量子信息體系提供了重要的量子資源。

在本研究工作中，該團隊充分利用這些量子糾纏源的高容量特性，並與全光量子隱形傳態協議相結合，在單一體系中同時構建了九套並行的量子隱形傳態通道。在此基礎上，實驗演示了兩個相互獨立且正交的軌道角動量模式的同時隱形傳送。該工作為確定性地實現多通道並行量子通信協議開闢了道路，並為構建高容量全光量子通信網絡奠定了基礎。

在實驗中，該團隊首先利用原子系綜四波混頻過程製備了多通道光學軌道角動量復用的連續變量糾纏源，並分發到參與量子隱形傳態協議的發送方(Alice)以及接收方(Bob)。Alice利用一個高增益光學參量放大器，把待傳輸態與她所擁有的量子糾纏資源進行模式匹配的參量放大，並將放大後的光學輸出無測量地通過一個全光通道傳輸給Bob。Bob在收到全光信號之後，利用一個線性光學分束器，將其與自身所擁有的量子資源進行相干操控，從而實現待傳態的高保真復現。通過利用光學軌道角動量模式對待傳態進行編碼，實現了九通道量子隱形傳態保真度對經典極限的突破，演示了單一體系中九個量子隱形傳態通道的同時構建。

全光量子隱形傳態體系示意圖

為了在實驗上演示這一全光體系所具有的量子隱形傳態並行處理能力，該團隊在輸入端用光學軌道角動量同時編碼了兩個模式獨立且正交的待傳態，利用上述構建的全光量子隱形傳態體系，在輸出端實現了這兩個待傳態突破經典極限的高保真復現，展示了該體系在信息容量提升方面的獨特優勢。

全光量子隱形傳態體系同時傳送兩個軌道角動量模式編碼的相干態

該成果以「Orbital angular momentum multiplexed deterministic all-optical quantum teleportation」為題8月發表在Nature Communications上。華東師範大學為論文的第一完成單位，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的共同第一作者，荊傑泰教授為論文的通訊作者。

在Nature Communications上發表

審稿人指出， 「這是一個及時且技術上令人興奮的想法」(This is a timely and technologically exciting idea);「這是一個重要的結果，因為(據我所知)這是首次實驗演示全光隱形傳態協議」(this is an important result, since (to my knowledge) that's the first time that the AO teleportation protocol has been experimentally demonstrated);「這項工作的結果會使這樣一種另外的隱形傳態方式為領域所廣泛了解」(The results of this work can potentially make this alternative way to perform teleportation widely known to the community)。

本研究第一作者均是荊傑泰教授團隊的博士研究生，其中劉勝帥博士剛剛以副研究員留校並加入該團隊。荊傑泰教授長期從事量子光學、原子分子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Nature Communications以及Physical Review Letters等，受到國際國內同行研究組的廣泛關注。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，先後入選教育部新世紀優秀人才、上海市東方學者、曙光學者、浦江人才等。截至目前，荊傑泰教授指導的研究生先後共有10人次獲得「研究生國家獎學金」，5人次獲得「上海市優秀畢業生」，2人次獲得「王大珩高校學生光學獎」。