近期，日博体育在线_日博体育-官网精密光谱科学与技术国家重点实验室荆杰泰教授团队在量子信息领域连续取得重要进展，相继实现了复用型全光量子擦除纠错和四自由度全光量子隐形传态。相关成果分别以Orbital Angular Momentum Multiplexed Deterministic All-Optical Quantum Erasure-Correcting Code和Deterministic All-Optical Quantum Teleportation of Four Degrees of Freedom为题发表在物理学专业学术期刊Physical Review Letters上。
Physical Review Letters 刊登荆杰泰教授团队实现复用型全光量子擦除纠错的科研成果
Physical Review Letters 刊登荆杰泰教授科研团队实现四自由度全光量子隐形传态的科研成果
在量子信息协议中，操纵量子信息的过程不可避免地会引入错误。因此，量子纠错是必不可少的，它可以有效地纠正量子信息协议中的错误。擦除是一种典型的错误，这种错误是由传输信道中量子信息的擦除导致的。在连续变量领域，当一个传输信道的信息被完全擦除时，量子擦除纠错可以保护传输的量子态不受这种擦除的影响，确保可靠的量子态传输。然而，在连续变量方案中，传统的量子擦除纠错利用基于光电和电光转换的前馈技术，这在很大程度上限制了量子擦除纠错的传输带宽。更重要的是，传统的连续变量量子擦除纠错是基于单通道双模量子纠缠态的，只能恢复两个光学模式的量子信息。
图1. (a)复用型全光量子擦除纠错协议实验装置；(b)实验结果。
为了解决这些问题，该研究团队提出了一种复用型全光量子擦除纠错方案。在实验中，如图1(a)所示，利用轨道角动量复用技术在两个待传量子态中编码四个正交轨道角动量模式。之后，利用轨道角动量复用的量子纠缠态编码待传量子态，并对编码后的态进行传输。在一个传输信道的信息被完全擦除之后，使用轨道角动量匹配的低噪声光学参量放大器和马赫-曾德尔干涉仪实现了四个光学模式量子信息的同时恢复。实验结果如图1(b)所示，每个输出态的保真度均超过了相应的经典极限，展示了该方案两个输入态中的四个正交轨道角动量模式可以同时受到保护，免受四个通道中任何一个通道中量子信息擦除的影响。该研究结果为实现量子擦除纠错提供了一个全光平台，在实现全光容错量子信息处理方面具有潜在的应用前景。研究成果近期发表在Physical Review Letters 132, 040601 (2024)，第一作者为娄彦博研究员，通讯作者为刘胜帅研究员和荆杰泰教授。
图2. (a)四自由度全光量子隐形传态实验装置；(b)重构输出态的正交振幅和正交相位噪声；(c)不同拉盖尔高斯光束径向、角向模式、频率和偏振下测量的保真度。
在量子信息科学中，量子隐形传态是最重要和极具吸引力的协议之一，利用该协议可以实现对未知量子态无实体地高保真异地传输。信息容量是衡量量子隐形传态性能的一个重要指标。为此，该研究团队充分利用量子纠缠源的高容量特性，构建了基于光场径向、角向、偏振、频率的四自由度超纠缠态，并将该超纠缠态与全光量子隐形传态协议相结合，构建了四自由度全光量子隐形传态体系。完整描述一个量子态需要多个自由度，因此该四自由度全光量子隐形传态体系为更完整地传输量子态提供了可能。
在实验中，如图2(a)所示，首先利用原子系综四波混频过程制备光场径向、角向、偏振、频率四个自由度的连续变量超纠缠，并分发到参与量子隐形传态协议的发送方(Alice)以及接收方(Bob)。Alice利用一个高增益光学参量放大器，把待传量子态与她所拥有的量子纠缠资源进行模式匹配的参量放大，并将放大后的光学信息通过全光通道传输给Bob。Bob在收到全光信号之后，利用线性光学分束器，将其与自身所拥有的量子纠缠资源进行耦合，从而实现待传量子态的高保真复现。实验结果如图2(b)、2(c)所示，不同模式四自由度全光量子隐形传态的保真度总是可以超过相应的经典极限，清晰地演示了四自由度全光量子隐形传态的成功构建，展示了该体系的高容量优势。该工作为确定性地构建多自由度量子信息体系奠定了基础。研究成果近期发表在Physical Review Letters 132, 100801 (2024)，第一作者为刘胜帅研究员，通讯作者为娄彦博研究员和荆杰泰教授。
上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市教委以及上海市科委的支持。
附：
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.040601
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.100801
来源｜科技处、精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜蒋萱 编审｜郭文君
