來源：南開大學(xué)
高維糾纏不僅能夠?qū)崿F(xiàn)比二維情況更多的比特編碼，以增加量子信道上的通信容量，而且能夠改善對噪聲的魯棒性。
作為光子的一個新內(nèi)稟自由度，軌道角動量（OAM）理論上具有無限維度，為解決光通信系統(tǒng)容量瓶頸問題提供了一條有效途徑。2001年，物理學(xué)諾貝爾獎得主安東塞林格教授等首次提出利用光子OAM實現(xiàn)了高維量子糾纏，其不僅可以大幅度增加光子的信息攜帶量，還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩�，而受到了廣泛關(guān)注。然而，在光子OAM的實際應(yīng)用中，其挑戰(zhàn)之一是發(fā)展高效的高維OAM糾纏態(tài)表征方法。傳統(tǒng)的全量子態(tài)層析是獲取量子態(tài)所有信息的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但其在高維系統(tǒng)中變得不切實際，因其所需的測量次數(shù)隨維度呈指數(shù)增長。因此，非常期待能夠找到有效的方法，以盡可能少的測量來表征高維糾纏態(tài)，而不引入不必要的假設(shè)。
近日，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李勇男教授研究組與南京大學(xué)王慧田教授合作，針對光子高維軌道角動量表征難題，提出了利用二維探測器實現(xiàn)快速非掃描的量子態(tài)層析方法，該研究成果以“Two-Measurement Tomography of High-Dimensional Orbital Angular Momentum Entanglement”為題發(fā)表在《Physical Review Letters 》上。其核心思想是用二維陣列探測器取代傳統(tǒng)的單像素探測器，基于干涉原理并結(jié)合傅里葉變換，從二維量子符合計數(shù)中解調(diào)出高維量子信息。
該方法的特點是非掃描且與維度無關(guān)，對于任意維雙光子OAM糾纏態(tài)，僅需兩次測量即可實現(xiàn)高保真度的密度矩陣重構(gòu)。該思想還可以拓展到其它空間模式糾纏、多光子糾纏及混合態(tài)糾纏等，為實現(xiàn)大容量量子通信和量子過程層析奠定了基矗未來與機器學(xué)習(xí)結(jié)合，將會為復(fù)雜情況下，如大氣和光纖中的高維光量子信息應(yīng)用提供更多有趣且高效的測量思路。
圖：高效光子軌道角動量糾纏表征方法示意圖
本工作南開大學(xué)為第一完成單位，南開大學(xué)本科畢業(yè)生李逸和博士畢業(yè)生黃雙印為共同第一作者，南開大學(xué)李勇男教授和南京大學(xué)王慧田教授為共同通訊作者。此項工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目資助。
