高保真度32维量子纠缠态首次实现

  近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，团队中的李传锋、柳必恒研究组与奥地利学者合作，首次实现高保真度32维量子纠缠态，创造世界最高水平，为进一步实现各种高维量子信息过程，以及研究高维系统的量子物理基本问题打下重要基础。该成果近日发表在《物理评论快报》。

  相比二维系统，高维量子纠缠态在信道容量上有巨大优势。然而，要展示这一优势必须实现高保真度、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很好地同时解决高维量子纠缠态的制备、传输与测量的难题。

  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。例如，解决路径比特的相干性问题，制备出高保真度的三维纠缠态，演示超越二维信道容量极限的量子密集编码等。他们最近还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。

  然而，随着维度数的增加，量子系统的复杂度，以及操控与测量难度指数增加。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。研究组还与奥地利研究人员合作，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100万次测量才能确定量子态的信息，而该方法只需要1000次测量即可完成。最终，研究组在实验上实现32维量子纠缠态，并测定其保真度为0.933。

  相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.090503