光学轨道角动量复用的连续变量纠缠

近期，实验室荆杰泰教授团队在量子信息领域取得重要进展。该团队利用光学轨道角动量自由度，在实验上实现了一种光学轨道角动量复用的连续变量量子纠缠体系，该成果发表在国际物理学重要学术期刊Physical Review Letters 123, 070506 (2019)上。

近年来，量子信息领域发展迅速，其中量子纠缠是非常重要的量子资源，提高量子通讯体系中的纠缠容量，从而提高量子通讯的信道容量对于实现大尺度量子信息网络至关重要。一方面，复用（Multiplexing）是提高经典通讯系统信息承载能力的重要手段。而另一方面，光学轨道角动量（Orbital Angular Momentum）作为一个重要的物理量，引起了广泛的研究兴趣，由于光学轨道角动量具有无限带宽，螺旋波前等性质特点，已经被成功的应用于经典光通讯以及光学操控微粒等领域。荆杰泰教授团队把复用的概念和光学轨道角动量自由度相结合，并应用于连续变量纠缠体系，从而提出了一种通过复用光学轨道角动量的不同模式来大幅度增加量子通讯体系纠缠容量的方案，并且最终在实验上得以实现。

在实验中，该团队利用热铷原子系综中的四波混频过程产生了两个量子关联的孪生光束。在这两个孪生光束通道中，系统同时确定性地产生13对两两纠缠的拉盖尔高斯（Laguerre-Gaussian）模式,即LG_(l,Pr)和LG_(-l,Conj)，其中l为LG模式对应的光轨道角动量拓扑荷数，Pr和Conj代表两个孪生光束通道。该团队发展了基于LG模式的量子纠缠探测方案，并利用这一探测方案成功在实验上验证了这些对应模式之间的量子纠缠特性。同时该工作还验证了系统中LG_(-l,Pr)和LG_(-l,Conj)模式（l≠0）之间不存在量子纠缠,从而从连续变量体系的角度证明了在四波混频过程中，非线性相互作用遵守光学轨道角动量守恒定律。此外，该工作还研究了四波混频系统中三种不同的光轨道角动量相干叠加模式情况下的量子纠缠特性。最后，该工作系统地研究了泵浦光场的腰斑直径大小对光学轨道角动量模式复用数目的影响，发现复用数目随着泵浦腰斑的增加而有效增加。该工作首次提出了将光学轨道角动量复用的概念应用于连续变量量子体系，实现了光学轨道角动量复用的连续变量量子纠缠，从而大幅度提高了系统的纠缠容量。该工作为连续变量量子通讯研究提供了一个崭新的平台和思路。

图1. 光学轨道角动量复用的连续变量纠缠系统实验图、13对量子纠缠判定以及光学轨道角动量守恒验证的相关实验结果。