由中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦教授及其合作者領導的研究團隊，首次實現了高維（三維）軌道角動量糾纏在1公里少模光纖上分發傳輸，研究成果發表在《光學》期刊上。增加量子通信中的信道容量和抗噪聲干擾是在多能級系統中編碼量子信息的一個強大實用動機。從基礎角度看，高維糾纏表現出更復雜的結構和更強的非經典關聯。
高維糾纏在量子信息處理中顯示出其在增加信道容量和抗噪聲方面的潛力。儘管有這些好處，高維糾纏分發是相對較新的，仍然具有挑戰性。光子軌道角動量是近年來備受關注的高維繫統。然而，軌道角動量糾纏很容易受到大氣湍流或光纖中的模式串擾和模色散的影響，只能傳輸幾米，並且侷限於二維糾纏分佈。在這項研究中，首次實現了三維軌道角動量(OAM)通過1公里長的少模光纖糾纏分發傳輸。
採用主動穩定相位預補償技術，成功地將三維OAM糾纏光子對中的一個光子通過光纖傳輸。通過測量，中科大研究人員能夠通過保真度為71%的三維最大糾纏態(MES)和違反Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu(CGLMP)不等式來證明三維糾纏。此外，還證明了高維量子糾纏通過違反廣義貝爾不等式而在傳輸中倖存下來，獲得了~3個標準差的違反。
（上圖所示）高維軌道角動量糾纏分發傳輸實驗裝置示意圖。圖片：CAO Huan
研究表明：在預補償情況下，保留波前是可能的，這可能會使光纖之後的進一步信息處理成為可能，該方法理論上可以推廣到更高的OAM維數和更長距離。其研究是在光子橫向空間模中分發傳輸高維糾纏的重要一步，在未來，研究人員還希望結合關於利用高維進行噪聲彈性的結果，這項研究將推動對涉及通過光纖進行長距離高維量子通信新型協議的進一步實驗研究。
高維糾纏在量子信息處理中顯示出其在增加信道容量和抗噪聲方面的潛力。然而，分發高維糾纏是一項具有挑戰性的任務，對其應用施加了嚴格的限制。本研究首次實現了三維軌道角動量(OAM)通過1公里長的少模光纖糾纏分發傳輸，並採用主動穩定相位預補償技術，成功地將三維OAM糾纏光子對中的一個光子通過光纖傳輸。分佈式OAM糾纏態相對於三維最大糾纏態(MES)仍表現出很高的保真度。
此外，研究還證明了高維量子糾纏通過違反貝爾不等式而得以倖存下來，違反∼3標準偏差的經典極限，3=2.12±0.0 4，其方法理論上可以推廣到更高OAM維數和長距離，同時研究結果為未來基於OAM高維遠距離量子通信邁出了重要的一步！
博科園｜研究/來自：中國科學院/中國科學技術大學/張南南
參考期刊《光學》
DOI: 10.1364/OPTICA.381403
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