2020年08月31日
中国科大首次实现高保真度32维量子纠缠态
我校郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授研究组合作，首次实现了高保真度32维量子纠缠态。该成果8月28日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。 相比二维系统，高维量子纠缠态在信道容量上有着巨大的优势。然而要展示这一优势，必须要实现高保真度高维量子纠缠态的制备、传输与测量。此前在光学系统中人们广泛采用光子的轨道角动量、时间或频率自由度进行编码，但还没有一个系统能够同时很好的解决高维量子纠缠态的制备、传输与测量的困难。
李传锋、柳必恒等人另辟蹊径，于2016年开始采用光子的路径自由度进行编码，并取得一系列成果，包括解决路径比特的相干性问题[Phys. Rev. Lett. 117, 220402, (2016)]，制备出高保真度的三维纠缠态[Phys. Rev. Lett. 117, 170403, 2016]，演示超越二维信道容量极限的量子密集编码[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]，最近则采用商用多芯光纤解决高维纠缠的传输问题，实现了四维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输[Optica 7, 738 (2020)]。
然而随着维度数的增加，量子系统的复杂度及操控与测量难度都指数增加。为了解决维度扩展问题，研究组在实验上设计出紧凑的光学分束器来实现光学分束与合束，并采用空间光调制器精确地对每一束光进行强度和相位调制。研究组还与奥地利Marcus Huber教授研究组合作，理论上给出了一种高效的高维纠缠态的认证方法。对一个32维纠缠态而言，完整的量子态层析技术需要进行一百万次测量（32^4）才能确定量子态的信息，而该方法只需要一千次测量即可完成。最终研究组在实验上实现了32维量子纠缠态，并测定其保真度为0.933。32维的高维纠缠态维度数创造了当前世界最高水平。
本成果为进一步实现各种高维量子信息过程和研究高维系统的量子物理基本问题打下重要基础。
文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏博士和博士研究生邢文博。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。
图1、上图为实验装置示意图。下图则展示了紧凑的光学分束器以及利用空间光调制器进行调制的过程。 图2、纠缠态保真度随维度变化曲线。理论模拟结果展示了实验方案的可扩展性。
（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
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