華東師大學(xué)者發(fā)現(xiàn)大幅提升量子糾纏容量和量子關(guān)聯(lián)度方法
▲ 荊杰泰教授實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合影
● ● ●
華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室荊杰泰教授團(tuán)隊(duì)近期在量子通信以及量子精密測(cè)量領(lǐng)域連續(xù)取得重要進(jìn)展，相繼發(fā)現(xiàn)大幅提升量子糾纏容量和量子關(guān)聯(lián)度的新方法，兩項(xiàng)相關(guān)研究成果均發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
在量子通信研究方面，荊杰泰教授團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)軌道角動(dòng)量這個(gè)自由度，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的連續(xù)變量量子糾纏體系。該成果以“Orbital-Angular-Momentum Multiplexed Continuous-Variable Entanglement from Four-Wave Mixing in Hot Atomic Vapor”為題，于2019年8月發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 123, 070506 (2019)）上。
該論文以華東師范大學(xué)為第一完成單位，精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生潘曉州為論文第一作者，碩士研究生余勝、周延芬、呂樹(shù)超以及博士研究生張昆、張凱、李思瑾、王偉都對(duì)論文有重要貢獻(xiàn)，荊杰泰教授為論文的通訊作者。
▲ 光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的連續(xù)變量糾纏系統(tǒng)示意圖、13對(duì)量子糾纏判定以及光學(xué)軌道角動(dòng)量守恒驗(yàn)證的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
近年來(lái)，量子通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，而量子糾纏是量子通信中非常重要的量子資源。提高量子通信體系中的糾纏容量，從而提高量子通信的信道容量對(duì)于實(shí)現(xiàn)大尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。一方面，復(fù)用（Multiplexing）是提高經(jīng)典通信系統(tǒng)信息承載能力的重要手段。而另一方面，光學(xué)軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum）作為一個(gè)重要的物理量，引起了廣泛的研究興趣，由于光學(xué)軌道角動(dòng)量具有無(wú)限帶寬，螺旋波前等性質(zhì)特點(diǎn)，已經(jīng)被成功應(yīng)用于經(jīng)典光通訊、光學(xué)操控微粒以及分離變量量子糾纏等領(lǐng)域。
荊杰泰教授團(tuán)隊(duì)把復(fù)用的概念和光學(xué)軌道角動(dòng)量自由度相結(jié)合，并應(yīng)用于連續(xù)變量糾纏體系，從而提出了一種通過(guò)復(fù)用光學(xué)軌道角動(dòng)量的不同模式來(lái)大幅度增加連續(xù)變量量子通信體系糾纏容量的方案，并且最終在實(shí)驗(yàn)上得以實(shí)現(xiàn)。
▲ Physical Review Letters 123, 070506 (2019)論文作者合影
在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)利用熱銣原子系綜中的四波混頻過(guò)程產(chǎn)生了兩個(gè)量子關(guān)聯(lián)的孿生光束。在這兩個(gè)孿生光束通道中，系統(tǒng)同時(shí)確定性地產(chǎn)生了13對(duì)兩兩糾纏的拉蓋爾高斯（Laguerre-Gaussian）模式,即
和
，其中
為L(zhǎng)G模式對(duì)應(yīng)的光學(xué)軌道角動(dòng)量拓?fù)浜蓴?shù)，Pr和Conj代表兩個(gè)孿生光束通道。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于LG模式的量子糾纏探測(cè)方案，并利用這一探測(cè)方案成功在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這些對(duì)應(yīng)模式之間的量子糾纏特性。同時(shí)該工作還驗(yàn)證了系統(tǒng)中
和
模式
之間不存在量子糾纏,從而從連續(xù)變量體系的角度證明了在四波混頻過(guò)程中，非線性相互作用遵守光學(xué)軌道角動(dòng)量守恒定律。此外，該工作還研究了四波混頻系統(tǒng)中三種不同類型的光軌道角動(dòng)量相干疊加模式情況下的量子糾纏特性。
團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了泵浦光場(chǎng)的腰斑直徑大小對(duì)模式復(fù)用數(shù)目的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)用數(shù)目隨著泵浦腰斑的增加而有效增加。此研究首次提出了將光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的概念應(yīng)用于連續(xù)變量量子體系，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)軌道角動(dòng)量復(fù)用的連續(xù)變量量子糾纏系統(tǒng)，從而大幅度提高了系統(tǒng)的量子糾纏容量。該工作為連續(xù)變量量子通信研究提供了一個(gè)嶄新的研究平臺(tái)和思路。
在量子精密測(cè)量研究方面，荊杰泰教授團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上利用干涉（Interference）效應(yīng)，在連續(xù)變量量子體系中實(shí)現(xiàn)了兩光束間以量子壓縮（Quantum Squeezing）表征的量子關(guān)聯(lián)的增強(qiáng)。
該成果以“Interference-Induced Quantum Squeezing Enhancement in a Two-beam Phase-Sensitive Amplifier”為題于2019年9月發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 123, 113602 (2019)）上。該論文同樣以華東師范大學(xué)為第一完成單位，精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生劉勝帥和婁彥博為論文共同第一作者，荊杰泰教授為論文的通訊作者。
▲ 雙光束相敏放大器系統(tǒng)示意圖、系統(tǒng)輸出端的干涉條紋以及干涉誘導(dǎo)的量子壓縮增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
量子壓縮是一種非常重要的非經(jīng)典效應(yīng)，它與量子物理中的“不確定性原理”密切相關(guān)，因此對(duì)于量子物理的基礎(chǔ)研究具有重要的科學(xué)價(jià)值。同時(shí)量子壓縮又可以大幅降低系統(tǒng)的量子噪聲，從而顯著提高系統(tǒng)的信噪比和靈敏度，因此它又在量子精密測(cè)量當(dāng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，量子壓縮可以用來(lái)提高激光干涉儀引力波天文臺(tái)、原子磁力儀和光機(jī)磁力儀的靈敏度。
此外，量子壓縮還可以用于優(yōu)化激光束定位、旋轉(zhuǎn)角測(cè)量以及時(shí)間傳遞等?？梢哉f(shuō)量子壓縮的壓縮程度直接決定了它對(duì)物理系統(tǒng)性能的改善程度。因此，增強(qiáng)量子壓縮對(duì)于量子精密測(cè)量至關(guān)重要的。
近幾年，基于原子系綜四波混頻過(guò)程的非相敏放大器被證明是產(chǎn)生量子壓縮的一種非常有效的方法。由該系統(tǒng)產(chǎn)生的量子壓縮光束在量子成像、量子糾纏延遲以及非線性干涉儀等領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。與此不同，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了利用相敏放大器中的干涉效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)量子壓縮的方案。
▲ Physical Review Letters 123, 113602 (2019)論文作者合影
在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)分別測(cè)量了相同實(shí)驗(yàn)條件下非相敏放大器和相敏放大器產(chǎn)生的強(qiáng)度差壓縮光束的量子關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示相敏放大器產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光束的量子壓縮度要顯著優(yōu)于非相敏放大器，并成功突破10dB。
研究發(fā)現(xiàn)這種量子壓縮的增強(qiáng)來(lái)源于理論預(yù)測(cè)中的一個(gè)干涉項(xiàng)，因此該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)分析了這一干涉項(xiàng)中系統(tǒng)增益、注入光強(qiáng)度比例以及干涉相位點(diǎn)對(duì)量子壓縮的調(diào)控作用，這些研究結(jié)果清晰地表明相敏放大器中的量子壓縮增強(qiáng)來(lái)源于其內(nèi)在的干涉本質(zhì)。該工作是一種新的增強(qiáng)量子壓縮的有效方法，因此在提高量子測(cè)量的精度方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
量子通信和量子精密測(cè)量是當(dāng)前國(guó)際上量子信息技術(shù)發(fā)展中的兩大重要領(lǐng)域，該研究團(tuán)隊(duì)在這兩個(gè)方面連續(xù)取得了重要進(jìn)展，是長(zhǎng)期積累的結(jié)果。
荊杰泰教授長(zhǎng)期從事量子光學(xué)、原子分子光物理方面的實(shí)驗(yàn)和理論研究，近年來(lái)在基于原子系綜量子光源的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生及其在量子通信和量子精密測(cè)量的應(yīng)用方面取得了系列研究成果。
相關(guān)成果相繼以通訊作者身份發(fā)表在本領(lǐng)域國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊上，包括Physical Review Letters以及Physical Review Applied等，相關(guān)研究成果受到多個(gè)國(guó)際國(guó)內(nèi)同行研究組的系列引用。
文、來(lái)源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
