近日，山西大學光電研究所、光量子技術(shù)與器件全國重點實驗室蘇曉龍教授研究組和王海教授研究組合作，將軌道角動量自由度引入連續(xù)變量與離散變量混合糾纏，實現(xiàn)了攜帶軌道角動量混合糾纏態(tài)的制備。相關(guān)研究成果“Hybrid entanglement carrying orbital angular momentum”于3月23日發(fā)表于Science Bulletin 70, 876 (2025)。

光量子信息領(lǐng)域形成了連續(xù)變量和離散變量量子信息并行發(fā)展的兩條途徑，均取得了重要進展。然而，連續(xù)變量和離散變量量子信息均面臨各自固有的限制。連續(xù)變量光量子信息處理的優(yōu)點是糾纏態(tài)制備是確定性的，但糾纏度有限，且對損耗敏感，因此連續(xù)變量量子信息處理的保真度隨著損耗的增加而降低。離散變量光量子信息處理的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)最大糾纏，但離散變量光量子糾纏態(tài)的制備是概率性的。為了突破它們各自的限制，國際上提出了結(jié)合連續(xù)變量和離散變量的混合量子信息處理。混合糾纏是實現(xiàn)混合量子信息處理的一種重要量子資源。拓展糾纏態(tài)的自由度對于提升糾纏態(tài)攜帶信息的能力具有重要意義。光場的軌道角動量自由度在量子通信和量子精密測量方面具有潛在的應(yīng)用價值，近年來備受關(guān)注。通過將軌道角動量自由度引入到混合糾纏態(tài)中，能夠增加混合糾纏態(tài)攜帶信息的能力，進一步提高量子通信的信道容量。

圖1. 攜帶軌道角動量混合糾纏的實驗原理和結(jié)果

研究團隊將軌道角動量自由度引入混合糾纏，實現(xiàn)了攜帶軌道角動量混合糾纏態(tài)的制備，實驗原理如左圖所示。團隊首先實驗制備了連續(xù)變量光學薛定諤貓態(tài)編碼和離散變量光子偏振編碼的混合糾纏；隨后利用渦旋波片將混合糾纏態(tài)的高斯波前轉(zhuǎn)換為渦旋波前，成功將軌道角動量引入混合糾纏態(tài)。通過測量軌道角動量的拓撲荷數(shù)和混合糾纏態(tài)的Wigner函數(shù)，并計算對數(shù)負性，驗證了攜帶軌道角動量混合糾纏態(tài)的成功制備。

該工作實驗制備了涉及貓態(tài)、光子偏振和軌道角動量三個自由度的混合糾纏，證明了在混合糾纏中引入軌道角動量自由度的可行性。研究成果為混合量子信息處理提供了新的量子資源，向?qū)崿F(xiàn)多自由度的混合量子信息處理邁出了關(guān)鍵的一步，在提高異構(gòu)量子網(wǎng)絡(luò)中量子通信的信息容量方面具有潛在的應(yīng)用價值。

該論文第一作者為山西大學許鳳怡博士生和王美紅副教授，通訊作者為山西大學蘇曉龍教授和李淑靜教授。該工作得到國家自然科學基金、山西省基礎(chǔ)研究計劃項目、和山西省“1331項目”工程重點學科建設(shè)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.003