基于空心光纤的高维度量子关联光子传输

未来量子网络的基础技术之一是通过光纤来传输具有非经典关联性的光量子态。该技术的关键点是要在保持量子关联性的前提下实现光子态的远距离传输。

近年来,已经有数个实验演示了偏振纠缠光子对的远距离传输。与两维度的偏振编码相比,使用高维度编码系统不仅可以增大量子通信的信息容量,还可以提高量子通信的安全性。

在光子的各自由度中,轨道角动量具有对量子态进行高维度编码并用于产生混合纠缠态(即不同自由度之间的纠缠)的能力。一个典型的混合纠缠态的例子就是所谓的矢量涡旋光束,其主要特性是在光子的偏振和空间相位分布之间存在量子关联。然而,尽管基于光纤的偏振编码量子态传输技术已经成熟,但还是难以将这种矢量涡旋光束的量子态应用于长距离量子通信。这是因为传输具有复杂空间分布的光场需要使用特殊的光纤并发展相应的特殊技术,而基于光纤的轨道角动量量子态传输目前仍然是一个新的研究领域,保持这种轨道角动量与偏振纠缠特性的量子态的传输实验迄今尚未见报道。

最近,来自意大利罗马Sapienza大学和丹麦技术大学(DTU)的联合研究团队在这一研究方向上取得了重要进展。他们基于可传输轨道角动量模式的特种空心光纤,成功演示了在光通信波段矢量涡旋混合纠缠光子对的传输,并利用量子态层析测量,验证了传输后纠缠态的高保真性。他们还通过贝尔不等式检验证实了经过光纤传输后量子关联性仍然得到了保持。由于在双光子量子态上编码了三个不同量子比特,该研究团队还演示了三方的贝尔不等式违反,这里三方的量子关联由光子不同自由度之间的纠缠以及不同光子间的非定域纠缠产生。相关研究成果以为题发表于Advanced Photonics第1卷第4期上。

该研究采用的方法具有可扩展性,拓宽了复杂光学态的应用领域,使得在量子网络中采用高维度纠缠态来实现基于光纤的量子关联态远距离传输并与集成光子芯片对接成为可能。本工作因而为未来基于光纤的混合纠缠态(包括偏振和轨道角动量)分发、以及更广泛的高维度量子态远距离传输打下了基础。

偏振-轨道角动量混合纠缠态光纤传输示意图