華東師大實(shí)現(xiàn)全光量子糾纏交換

  近期，華東師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室荊杰泰教授課題組在量子信息研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了全光量子糾纏交換協(xié)議。量子信息科學(xué)包括量子精密測(cè)量、量子通信以及量子計(jì)算三大領(lǐng)域，其旨在利用量子資源，實(shí)現(xiàn)高安全性、高保真度以及高容量信息處理方式。與量子隱形傳態(tài)和量子密集編碼協(xié)議一樣，量子糾纏交換協(xié)議也是量子信息科學(xué)中最重要的協(xié)議之一。由于利用量子糾纏交換協(xié)議可以使得兩個(gè)沒(méi)有直接相互作用的粒子發(fā)生糾纏，其被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子中繼構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心單元。

  《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)）刊登荊杰泰教授課題組研究成果

  量子糾纏交換協(xié)議自1993年首次在理論上提出以來(lái)，受到了量子信息領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注，在分離變量和連續(xù)變量領(lǐng)域均取得了重要研究進(jìn)展。在連續(xù)變量領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)量子糾纏交換需要采用基于光電和電光轉(zhuǎn)換的貝爾態(tài)測(cè)量，這極大限制了量子糾纏交換在構(gòu)建寬帶量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，荊杰泰教授課題組提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)測(cè)量的全光量子糾纏交換協(xié)議。在該協(xié)議中，基于四波混頻過(guò)程的低噪聲光學(xué)參量放大器通過(guò)對(duì)輸入態(tài)的高增益放大，避免了使用光電和電光轉(zhuǎn)換，從而無(wú)測(cè)量地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方案中貝爾態(tài)測(cè)量的功能。該工作為實(shí)現(xiàn)量子糾纏交換提供了一種全光學(xué)模式，并為構(gòu)建無(wú)測(cè)量的全光寬帶量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

  全光量子糾纏交換協(xié)議示意圖

  在實(shí)驗(yàn)中，首先通過(guò)搭建兩套四波混頻過(guò)程來(lái)產(chǎn)生兩組相互獨(dú)立的高糾纏度雙光束量子糾纏源（EPR1和EPR2）。Alice和Bob分別擁有兩組獨(dú)立雙光束量子糾纏中的一束。之后，將兩組獨(dú)立雙光束糾纏中剩下的兩束光通過(guò)4F成像系統(tǒng)傳給第三方Claire。Claire通過(guò)一個(gè)基于四波混頻過(guò)程的高增益低噪聲光學(xué)參量放大器對(duì)兩束光的量子信息進(jìn)行全光學(xué)提取，并利用一個(gè)全光通道把提取到的量子信息傳輸給Bob。最后，Bob利用線性光學(xué)分束器將接收到的量子信息傳遞到其所擁有的光束上，從而完成全光量子糾纏交換。

  全光量子糾纏交換協(xié)議完成之后，兩個(gè)最初獨(dú)立的光場(chǎng)在沒(méi)有直接相互作用的情況下就具有了量子糾纏特性。如下圖所示，Alice和Bob擁有的兩個(gè)最初獨(dú)立的光場(chǎng)在全光量子糾纏交換協(xié)議完成之后，其正交振幅分量的量子關(guān)聯(lián)為0.43±0.06 dB，而正交相位分量的量子關(guān)聯(lián)為0.42±0.05 dB，展示出了顯著的量子糾纏特性。

  全光量子糾纏交換實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  為了在實(shí)驗(yàn)上展示全光量子糾纏交換的寬帶寬特性，課題組還詳細(xì)測(cè)量了全光量子糾纏交換協(xié)議的帶寬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一定帶寬范圍之內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏交換協(xié)議，成功突破了傳統(tǒng)方案的單邊帶運(yùn)轉(zhuǎn)限制。此外，還測(cè)量了系統(tǒng)全光通道的抗損耗特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高達(dá)70%損耗的情況下，系統(tǒng)仍能完成量子糾纏交換。

  這項(xiàng)研究成果以 All-Optical Entanglement Swapping 為題發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)重要學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)），華東師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位，課題組劉勝帥研究員為第一作者，荊杰泰教授為論文的通訊作者。 荊杰泰教授課題組長(zhǎng)期聚焦于量子光源構(gòu)建及其在量子信息科學(xué)中的應(yīng)用研究。目前課題組已經(jīng)構(gòu)建了多種新型量子光源（PRL 123, 070506 (2019)、PRL 123, 113602 (2019)）、PRL 124, 083605 (2020)、PRL 124, 090501 (2020)、PRL 125, 140501 (2020)），并應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)量子信息協(xié)議，包括光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的全光量子隱形傳態(tài)（Nature Communications 11, 3875 (2020)）、光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的量子密集編碼（PRL 127, 093601 (2021)）、全光量子克隆機(jī)（PRL 126, 060503 (2021)）以及全光多功能量子態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)（PRL 126, 210507 (2021)）。截至目前，荊杰泰教授指導(dǎo)的研究生先后共有12人次獲得“研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金”，6人次獲得“上海市優(yōu)秀畢業(yè)生”以及3人次獲得中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)“王大珩高校學(xué)生光學(xué)獎(jiǎng)”。

  相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060503