近日，山西大學(xué)光電研究所、光量子技術(shù)與器件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘇曉龍教授研究組和王海教授研究組合作，將軌道角動(dòng)量自由度引入連續(xù)變量與離散變量混合糾纏，實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)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)。

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圖1. 攜帶軌道角動(dòng)量混合糾纏的實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果

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(jìn)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(diǎn)是糾纏態(tài)制備是確定性的，但糾纏度有限，且對(duì)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(shì)在于可以實(shí)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(guó)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(shí)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(duì)于提升糾纏態(tài)攜帶信息的能力具有重要意義。光場(chǎng)的軌道角動(dòng)量自由度在量子通信和量子精密測(cè)量方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)備受關(guān)注。通過(guò)將軌道角動(dòng)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(jìn)一步提高量子通信的信道容量。

研究團(tuán)隊(duì)將軌道角動(dòng)量自由度引入混合糾纏，實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的制備，實(shí)驗(yàn)原理如左圖所示。團(tuán)隊(duì)首先實(shí)驗(yàn)制備了連續(xù)變量光學(xué)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(dòng)量引入混合糾纏態(tài)。通過(guò)測(cè)量軌道角動(dòng)量的拓?fù)浜蓴?shù)和混合糾纏態(tài)的Wigner函數(shù)，并計(jì)算對(duì)數(shù)負(fù)性，驗(yàn)證了攜帶軌道角動(dòng)量混合糾纏態(tài)的成功制備。

該工作實(shí)驗(yàn)制備了涉及貓態(tài)、光子偏振和軌道角動(dòng)量三個(gè)自由度的混合糾纏，證明了在混合糾纏中引入軌道角動(dòng)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(jià)值。

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

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