近期，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室荊杰泰教授團隊在量子信息領域連續取得重要進展，相繼實現了復用型全光量子擦除糾錯和四自由度全光量子隱形傳態。相關成果分別以Orbital Angular Momentum Multiplexed Deterministic All-Optical Quantum Erasure-Correcting Code和Deterministic All-Optical Quantum Teleportation of Four Degrees of Freedom為題發表在物理學專業學術期刊Physical Review Letters上。
Physical Review Letters 刊登荊杰泰教授團隊實現復用型全光量子擦除糾錯的科研成果
Physical Review Letters 刊登荊杰泰教授科研團隊實現四自由度全光量子隱形傳態的科研成果
在量子信息協議中，操縱量子信息的過程不可避免地會引入錯誤。因此，量子糾錯是必不可少的，它可以有效地糾正量子信息協議中的錯誤。擦除是一種典型的錯誤，這種錯誤是由傳輸信道中量子信息的擦除導致的。在連續變量領域，當一個傳輸信道的信息被完全擦除時，量子擦除糾錯可以保護傳輸的量子態不受這種擦除的影響，確?？煽康牧孔討B傳輸。然而，在連續變量方案中，傳統的量子擦除糾錯利用基于光電和電光轉換的前饋技術，這在很大程度上限制了量子擦除糾錯的傳輸帶寬。更重要的是，傳統的連續變量量子擦除糾錯是基于單通道雙模量子糾纏態的，只能恢復兩個光學模式的量子信息。
圖1. (a)復用型全光量子擦除糾錯協議實驗裝置；(b)實驗結果。
為了解決這些問題，該研究團隊提出了一種復用型全光量子擦除糾錯方案。在實驗中，如圖1(a)所示，利用軌道角動量復用技術在兩個待傳量子態中編碼四個正交軌道角動量模式。之后，利用軌道角動量復用的量子糾纏態編碼待傳量子態，并對編碼后的態進行傳輸。在一個傳輸信道的信息被完全擦除之后，使用軌道角動量匹配的低噪聲光學參量放大器和馬赫-曾德爾干涉儀實現了四個光學模式量子信息的同時恢復。實驗結果如圖1(b)所示，每個輸出態的保真度均超過了相應的經典極限，展示了該方案兩個輸入態中的四個正交軌道角動量模式可以同時受到保護，免受四個通道中任何一個通道中量子信息擦除的影響。該研究結果為實現量子擦除糾錯提供了一個全光平臺，在實現全光容錯量子信息處理方面具有潛在的應用前景。研究成果近期發表在Physical Review Letters 132, 040601 (2024)，第一作者為婁彥博研究員，通訊作者為劉勝帥研究員和荊杰泰教授。
圖2. (a)四自由度全光量子隱形傳態實驗裝置；(b)重構輸出態的正交振幅和正交相位噪聲；(c)不同拉蓋爾高斯光束徑向、角向模式、頻率和偏振下測量的保真度。
在量子信息科學中，量子隱形傳態是最重要和極具吸引力的協議之一，利用該協議可以實現對未知量子態無實體地高保真異地傳輸。信息容量是衡量量子隱形傳態性能的一個重要指標。為此，該研究團隊充分利用量子糾纏源的高容量特性，構建了基于光場徑向、角向、偏振、頻率的四自由度超糾纏態，并將該超糾纏態與全光量子隱形傳態協議相結合，構建了四自由度全光量子隱形傳態體系。完整描述一個量子態需要多個自由度，因此該四自由度全光量子隱形傳態體系為更完整地傳輸量子態提供了可能。
在實驗中，如圖2(a)所示，首先利用原子系綜四波混頻過程制備光場徑向、角向、偏振、頻率四個自由度的連續變量超糾纏，并分發到參與量子隱形傳態協議的發送方(Alice)以及接收方(Bob)。Alice利用一個高增益光學參量放大器，把待傳量子態與她所擁有的量子糾纏資源進行模式匹配的參量放大，并將放大后的光學信息通過全光通道傳輸給Bob。Bob在收到全光信號之后，利用線性光學分束器，將其與自身所擁有的量子糾纏資源進行耦合，從而實現待傳量子態的高保真復現。實驗結果如圖2(b)、2(c)所示，不同模式四自由度全光量子隱形傳態的保真度總是可以超過相應的經典極限，清晰地演示了四自由度全光量子隱形傳態的成功構建，展示了該體系的高容量優勢。該工作為確定性地構建多自由度量子信息體系奠定了基礎。研究成果近期發表在Physical Review Letters 132, 100801 (2024)，第一作者為劉勝帥研究員，通訊作者為婁彥博研究員和荊杰泰教授。
上述研究工作得到了國家自然科學基金委、上海市教委以及上海市科委的支持。
附：
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.040601
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.100801
來源｜科技處、精密光譜科學與技術國家重點實驗室 編輯｜蔣萱 編審｜郭文君
