光学轨道角动量复用技术大幅提升连续变量量子通信系统纠缠容量学术资讯

来源：中国激光

华东师范大学物理与电子科学学院精密光谱科学与技术国家重点实验室荆杰泰教授团队利用光学轨道角动量自由度在实验上实现了一种光学轨道角动量模式复用的连续变量量子纠缠体系。

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近年来，量子信息领域发展迅速，其中量子纠缠是非常重要的量子资源，提高量子通信体系中的纠缠容量，从而提高量子通信的信道容量对于实现大规模量子信息网络至关重要。一方面，复用是提高经典通信系统信息承载能力的重要手段。而另一方面，光学轨道角动量作为一个重要的物理量，引起了广泛的研究兴趣，由于光学轨道角动量具有螺旋波前、无限带宽等性质特点，已经被成功应用于光学微粒操控、经典光通讯以及分离变量量子纠缠等领域。

荆杰泰教授团队把复用的概念和光学轨道角动量自由度相结合，并应用于连续变量纠缠体系，从而提出了一种通过复用光学轨道角动量的不同模式来大幅度增加量子通信体系纠缠容量的方案，并且最终在实验上实现（如图1）。

图1 光学轨道角动量模式复用的连续变量纠缠

在实验中，研究人员利用热铷原子系综中的四波混频过程产生了两个量子关联的孪生光束。在这两个孪生光束通道中，系统同时确定性地产生了13对两两纠缠的拉盖尔高斯（Laguerre-Gaussian）模式,即LGl,Pr和LG–l,Conj，其中l为LG模式对应的光学轨道角动量拓扑荷数，Pr和Conj代表着两个孪生光束通道。

研究工作发展了基于LG模式的量子纠缠探测方案，并在实验上验证了这些对应模式之间的量子纠缠特性（如图2a）。同时该工作还验证了系统中LGl,Pr和LGl,Conj模式（l≠0）之间不存在纠缠特性（如图2b）,从而从连续变量体系的角度证明了在四波混频过程中，非线性相互作用满足光学轨道角动量守恒。

图2 (a)LGl,Pr和LG–l,Conj模式之间的纠缠特性；(b)LGl,Pr和LGl,Conj模式之间的纠缠特性

此外，该工作还研究了四波混频系统中三种不同的光学轨道角动量相干叠加模式情况下的量子纠缠特性（如图3所示）。

图3 三种光学轨道角动量相干叠加模式纠缠特性

该工作提出了将光学轨道角动量复用的概念应用于连续变量量子体系，实现了光学轨道角动量模式复用的连续变量量子纠缠系统，大幅度提高了系统的纠缠容量，为连续变量量子通信研究提供了一个新的平台和思路。

相关成果以“Orbital-Angular-Momentum Multiplexed Continuous-Variable Entanglement from Four-Wave Mixing in Hot Atomic Vapor”为题发表在Physical Review Letters 123, 070506 (2019)上，通讯作者为荆杰泰教授，论文第一作者是博士生潘晓州。该工作得到了国家自然科学基金委以及上海市科委的资助。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.070506

来源：optics1964 中国激光

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODA5ODU3NA==&mid=2653258578&idx=1&sn=c03a77e788b6c2b8df4e8aa8af448639&chksm=bd1ec0b38a6949a59204f7431bc4b499b18434a2605733c89a689d0fde42f8ff5ec03cc1d8f4#rd

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