量子纠缠维度量的快速检验

使光子纠缠处于高维状态的能力可以提高量子通信的安全性和容量。科学家们目前正努力用一种可靠而直接的方法来测量纠缠态的纯净度及维度量。近日，一个由南非威特沃特斯兰德大学与英国、台湾的研究人员构成的国际研究小组提出了一种被称为“简单、快速和直接”的技术来确定这些量。该团队已经通过实验在广泛的噪声水平下证明了他们的方法。

 纠缠是一种独特的量子现象，它将两个粒子联系在一起，无论距离有多远，对其中一个粒子的测量都会立即确定另一个粒子的状态。这种系统的维度量是指唯一可能结果的数量，这取决于用于进行纠缠的性质。例如，偏振被限制在两个维度的纠缠，而结构光可以有更多维度的纠缠。 这些维度量的测量由于噪声而变得复杂，噪声会降低量子信号，并减少有用维度的数量。迄今为止，克服这些负面影响是令科学家们头痛的问题，目前已经发展了许多测量技术，这些技术各有优缺点。 举例来说，量子态断层摄影术可以逐点生成维度量的信息，就像医疗人员可能会使用计算机断层摄影术，通过组合一系列二维切片来创建人体的三维图像一样。但涉及的信息数量之多，使得这个过程极其耗时。一种更快的替代方法是进行贝尔状态测量。但是，尽管这些测量结果为粒子是否纠缠提供了一个明确的结论，但它们传递的关于维度的细节却很少。

该国际研究小组的研究人员们共同设计了一个新方案，能够详细表征系统的维度量和纯净度信息，尽管测量的数量只与这些量成线性关系。它通过记录在多个维度中纠缠的两个粒子之间干涉测量的“可见性”来做到这一点。 研究人员们用非线性晶体中产生的纠缠光子对演示了这个方案。他们让每个光子通过一个由空间光调制器创建的全息图，并用轨道角动量(OAM)对其进行编码，OAM表征了光束波前绕其传播方向扭曲的程度。然后，他们将光子耦合到单模光纤中，并记录这些粒子是否同时到达一个同步计数器。通过改变OAM叠加态并记录每组新态的重合概率，研究人员能够建立一系列的量子干涉条纹。每个条纹都有自己的可见度，这是一个衡量它有多清晰(或模糊)的标准。

研究团队负责人表示，这些可见度包含了大量信息，同时为许多问题提供了答案。他们坚持认为，通过比较可见度并寻找它们之间的重叠，有可能准确地提取所需的信息，从而实现对纠缠维度量和纯净度度的测量。 研究人员们认为，不管测试的量子态是什么，这个工具都应该能工作。为了证明这一点，他们进行了一项实验，在不同的噪音条件下，实验涉及的维度范围高达100个。他们还发现，无论量子数据是如何编码它都能工作，并使用位置和OAM的变化来验证其可行性。

当然，研究人员也承认这种方法有其局限性。首先，它只针对一种特殊形式的噪音进行了测试，即常见的白噪音。尽管如此，使用易于构建的全息图和可见性的测量的这种方法也远比断层摄影术简单。 研究团队负责人表示，他们并不是要取代现有的技术，而是要补充它们，并解释说，为了获得关于量子态的所有信息，完全的断层扫描可以在其之后进行。他补充说，该小组的方案特别适用于测量噪声及其对实际量子通信链路的纠缠维度的影响。

图：实验装置示意图。NLC为非线性晶体，f1、f2、f3、f4为透镜，BS为50:50分束器，SLM为空间光调制器，D为检测器，APD为耦合到单模光纤(SMF)的雪崩光电二极管，CC为同步计数器。