由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦教授及其合作者領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，首次實現(xiàn)了高維（三維）軌道角動量糾纏在1公里少模光纖上分發(fā)傳輸，研究成果發(fā)表在《光學(xué)》期刊上。

增加量子通信中的信道容量和抗噪聲干擾是在多能級系統(tǒng)中編碼量子信息的一個強大實用動機。從基礎(chǔ)角度看，高維糾纏表現(xiàn)出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更強的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)。

高維糾纏在量子信息處理中顯示出其在增加信道容量和抗噪聲方面的潛力。盡管有這些好處，高維糾纏分發(fā)是相對較新的，仍然具有挑戰(zhàn)性。光子軌道角動量是近年來備受關(guān)注的高維系統(tǒng)。然而，軌道角動量糾纏很容易受到大氣湍流或光纖中的模式串擾和模色散的影響，只能傳輸幾米，并且局限于二維糾纏分布。在這項研究中，首次實現(xiàn)了三維軌道角動量(OAM)通過1公里長的少模光纖糾纏分發(fā)傳輸。

采用主動穩(wěn)定相位預(yù)補償技術(shù)，成功地將三維OAM糾纏光子對中的一個光子通過光纖傳輸。通過測量，中科大研究人員能夠通過保真度為71%的三維最大糾纏態(tài)(MES)和違反Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu(CGLMP)不等式來證明三維糾纏。此外，還證明了高維量子糾纏通過違反廣義貝爾不等式而在傳輸中幸存下來，獲得了~3個標準差的違反。

研究表明：在預(yù)補償情況下，保留波前是可能的，這可能會使光纖之后的進一步信息處理成為可能，該方法理論上可以推廣到更高的OAM維數(shù)和更長距離。其研究是在光子橫向空間模中分發(fā)傳輸高維糾纏的重要一步，在未來，研究人員還希望結(jié)合關(guān)于利用高維進行噪聲彈性的結(jié)果，這項研究將推動對涉及通過光纖進行長距離高維量子通信新型協(xié)議的進一步實驗研究。

高維糾纏在量子信息處理中顯示出其在增加信道容量和抗噪聲方面的潛力。然而，分發(fā)高維糾纏是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，對其應(yīng)用施加了嚴格的限制。本研究首次實現(xiàn)了三維軌道角動量(OAM)通過1公里長的少模光纖糾纏分發(fā)傳輸，并采用主動穩(wěn)定相位預(yù)補償技術(shù)，成功地將三維OAM糾纏光子對中的一個光子通過光纖傳輸。分布式OAM糾纏態(tài)相對于三維最大糾纏態(tài)(MES)仍表現(xiàn)出很高的保真度。

此外，研究還證明了高維量子糾纏通過違反貝爾不等式而得以幸存下來，違反～3標準偏差的經(jīng)典極限，??3=2.12±0.0 4，其方法理論上可以推廣到更高OAM維數(shù)和長距離，同時研究結(jié)果為未來基于OAM高維遠距離量子通信邁出了重要的一步！

博科園｜研究/來自：中國科學(xué)院/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)/張南南

參考期刊《光學(xué)》

DOI: 10.1364/OPTICA.381403

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