中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布最新消息，郭光燦院士團(tuán)隊在高維量子通信研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實現(xiàn)了高保真度32維量子糾纏態(tài)。該成果8月28日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
相比二維系統(tǒng)，高維量子糾纏態(tài)在信道容量上有著巨大的優(yōu)勢。然而要展示這一優(yōu)勢，必須要實現(xiàn)高保真度高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量。此前在光學(xué)系統(tǒng)中人們廣泛采用光子的軌道角動量、時間或頻率自由度進(jìn)行編碼，但還沒有一個系統(tǒng)能夠同時很好的解決高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量的困難。
IT之家了解到，李傳鋒、柳必恒等人另辟蹊徑，于2016年開始采用光子的路徑自由度進(jìn)行編碼，并取得一系列成果，包括解決路徑比特的相干性問題[Phys. Rev. Lett. 117, 220402, (2016)]，制備出高保真度的三維糾纏態(tài)[Phys. Rev. Lett. 117, 170403, 2016]，演示超越二維信道容量極限的量子密集編碼[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]，最近則采用商用多芯光纖解決高維糾纏的傳輸問題，實現(xiàn)了四維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]。
然而隨著維度數(shù)的增加，量子系統(tǒng)的復(fù)雜度及操控與測量難度都指數(shù)增加。為了解決維度擴展問題，研究組在實驗上設(shè)計出緊湊的光學(xué)分束器來實現(xiàn)光學(xué)分束與合束，并采用空間光調(diào)制器精確地對每一束光進(jìn)行強度和相位調(diào)制。研究組還與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，理論上給出了一種高效的高維糾纏態(tài)的認(rèn)證方法。對一個32維糾纏態(tài)而言，完整的量子態(tài)層析技術(shù)需要進(jìn)行一百萬次測量(32^4)才能確定量子態(tài)的信息，而該方法只需要一千次測量即可完成。最終研究組在實驗上實現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)，并測定其保真度為0.933。32維的高維糾纏態(tài)維度數(shù)創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。
本成果為進(jìn)一步實現(xiàn)各種高維量子信息過程和研究高維系統(tǒng)的量子物理基本問題打下重要基礎(chǔ)。
文章共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室特任副研究員胡曉敏博士和博士研究生邢文博。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省的支持。