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
▲ 荊杰泰教授實驗團隊合影
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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)國家重點實驗室荊杰泰教授團隊近期在量子通信以及量子精密測量領(lǐng)域連續(xù)取得重要進展，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，兩項相關(guān)研究成果均發(fā)表于國際物理學(xué)期刊《物理評論快報》上。
在量子通信研究方面，荊杰泰教授團隊利用光學(xué)軌道角動量這個自由度，在實驗上實現(xiàn)了一種光學(xué)軌道角動量復(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)表在美國物理學(xué)會的《物理評論快報》（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)國家重點實驗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、呂樹超以及博士研究生張昆、張凱、李思瑾、王偉都對論文有重要貢獻，荊杰泰教授為論文的通訊作者。
▲ 光學(xué)軌道角動量復(fù)用的連續(xù)變量糾纏系統(tǒng)示意圖、13對量子糾纏判定以及光學(xué)軌道角動量守恒驗證的相關(guān)實驗結(jié)果
近年來，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于實現(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)軌道角動量（Orbital Angular Momentum）作為一個重要的物理量，引起了廣泛的研究興趣，由于光學(xué)軌道角動量具有無限帶寬，螺旋波前等性質(zhì)特點，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。
荊杰泰教授團隊把復(fù)用的概念和光學(xué)軌道角動量自由度相結(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復(fù)用光學(xué)軌道角動量的不同模式來大幅度增加連續(xù)變量量子通信體系糾纏容量的方案，并且最終在實驗上得以實現(xiàn)。
▲ Physical Review Letters 123, 070506 (2019)論文作者合影
在實驗中，該團隊利用熱銣原子系綜中的四波混頻過程產(chǎn)生了兩個量子關(guān)聯(lián)的孿生光束。在這兩個孿生光束通道中，系統(tǒng)同時確定性地產(chǎn)生了13對兩兩糾纏的拉蓋爾高斯（Laguerre-Gaussian）模式,即
和
，其中
為LG模式對應(yīng)的光學(xué)軌道角動量拓撲荷數(shù)，Pr和Conj代表兩個孿生光束通道。
該團隊發(fā)展了基于LG模式的量子糾纏探測方案，并利用這一探測方案成功在實驗上驗證了這些對應(yīng)模式之間的量子糾纏特性。同時該工作還驗證了系統(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程中，非線性相互作用遵守光學(xué)軌道角動量守恒定律。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量相干疊加模式情況下的量子糾纏特性。
團隊系統(tǒng)地研究了泵浦光場的腰斑直徑大小對模式復(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)軌道角動量復(fù)用的概念應(yīng)用于連續(xù)變量量子體系，實現(xiàn)了光學(xué)軌道角動量復(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嶄新的研究平臺和思路。
在量子精密測量研究方面，荊杰泰教授團隊在實驗上利用干涉（Interference）效應(yīng)，在連續(xù)變量量子體系中實現(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。
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《物理評論快報》（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)國家重點實驗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)的量子壓縮增強實驗結(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)，因此對于量子物理的基礎(chǔ)研究具有重要的科學(xué)價值。同時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量當中具有重要的應(yīng)用價值。例如，量子壓縮可以用來提高激光干涉儀引力波天文臺、原子磁力儀和光機磁力儀的靈敏度。
此外，量子壓縮還可以用于優(yōu)化激光束定位、旋轉(zhuǎn)角測量以及時間傳遞等?？梢哉f量子壓縮的壓縮程度直接決定了它對物理系統(tǒng)性能的改善程度。因此，增強量子壓縮對于量子精密測量至關(guān)重要的。
近幾年，基于原子系綜四波混頻過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，該團隊另辟蹊徑，在實驗上實現(xiàn)了利用相敏放大器中的干涉效應(yīng)來增強量子壓縮的方案。
▲ Physical Review Letters 123, 113602 (2019)論文作者合影
在實驗中，該團隊分別測量了相同實驗條件下非相敏放大器和相敏放大器產(chǎn)生的強度差壓縮光束的量子關(guān)聯(lián)。實驗結(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來源于理論預(yù)測中的一個干涉項，因此該團隊在實驗上詳細分析了這一干涉項中系統(tǒng)增益、注入光強度比例以及干涉相位點對量子壓縮的調(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來源于其內(nèi)在的干涉本質(zhì)。該工作是一種新的增強量子壓縮的有效方法，因此在提高量子測量的精度方面具有潛在的應(yīng)用價值。
量子通信和量子精密測量是當前國際上量子信息技術(shù)發(fā)展中的兩大重要領(lǐng)域，該研究團隊在這兩個方面連續(xù)取得了重要進展，是長期積累的結(jié)果。
荊杰泰教授長期從事量子光學(xué)、原子分子光物理方面的實驗和理論研究，近年來在基于原子系綜量子光源的實驗產(chǎn)生及其在量子通信和量子精密測量的應(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)研究成果受到多個國際國內(nèi)同行研究組的系列引用。
文、來源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室
