由中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿教授及其合作者领导的研究团队，首次实现了高维（三维）轨道角动量纠缠在1公里少模光纤上分发传输，研究成果发表在《光学》期刊上。增加量子通信中的信道容量和抗噪声干扰是在多能级系统中编码量子信息的一个强大实用动机。从基础角度看，高维纠缠表现出更复杂的结构和更强的非经典关联。
高维纠缠在量子信息处理中显示出其在增加信道容量和抗噪声方面的潜力。尽管有这些好处，高维纠缠分发是相对较新的，仍然具有挑战性。光子轨道角动量是近年来备受关注的高维系统。然而，轨道角动量纠缠很容易受到大气湍流或光纤中的模式串扰和模色散的影响，只能传输几米，并且局限于二维纠缠分布。
在这项研究中，首次实现了三维轨道角动量(OAM)通过1公里长的少模光纤纠缠分发传输。采用主动稳定相位预补偿技术，成功地将三维OAM纠缠光子对中的一个光子通过光纤传输。通过测量，中科大研究人员能够通过保真度为71%的三维最大纠缠态(MES)和违反Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu(CGLMP)不等式来证明三维纠缠。
此外，还证明了高维量子纠缠通过违反广义贝尔不等式而在传输中幸存下来，获得了~3个标准差的违反。研究表明：在预补偿情况下，保留波前是可能的，这可能会使光纤之后的进一步信息处理成为可能，该方法理论上可以推广到更高的OAM维数和更长距离。
（上图所示）高维轨道角动量纠缠分发传输实验装置示意图。图片：CAO Huan
其研究是在光子横向空间模中分发传输高维纠缠的重要一步，在未来，研究人员还希望结合关于利用高维进行噪声弹性的结果，这项研究将推动对涉及通过光纤进行长距离高维量子通信新型协议的进一步实验研究。高维纠缠在量子信息处理中显示出其在增加信道容量和抗噪声方面的潜力。
然而，分发高维纠缠是一项具有挑战性的任务，对其应用施加了严格的限制。本研究首次实现了三维轨道角动量(OAM)通过1公里长的少模光纤纠缠分发传输，并采用主动稳定相位预补偿技术，成功地将三维OAM纠缠光子对中的一个光子通过光纤传输。分布式OAM纠缠态相对于三维最大纠缠态(MES)仍表现出很高的保真度。
此外，研究还证明了高维量子纠缠通过违反贝尔不等式而得以幸存下来，违反∼3标准偏差的经典极限，3=2.12±0.0 4，其方法理论上可以推广到更高OAM维数和长距离，同时研究结果为未来基于OAM高维远距离量子通信迈出了重要的一步！
博科园｜研究/来自：中国科学院/中国科学技术大学/张南南
参考期刊《光学》
DOI: 10.1364/OPTICA.381403
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