在歐盟第七框架計劃資助下，南非金山大學研究團隊研究出能保障、加速量子傳輸速率的量子中繼器所需的新技術

在歐盟第七框架計劃項目資助下，來自南非金山大學的研究團隊通過實驗證明了能夠在獨立的光子之間建立量子相關性，並且可以利用這種相關性通過虛擬鏈路發送信息。

圖為研究人員實驗證明雙光子之間實現糾纏交換示意圖

研究背景

當使用多重軌道角動量的光子作為信息載體時，光子狀態可能在長距離傳輸後衰減，因此需要對光信號進行一定比例的放大。與傳統光纖網路中的中繼器相比，量子中繼器可以在兩個遠距離的點之間建立糾纏，而不需要一個光子在整個距離上進行傳輸，從而減少衰減和損耗的影響。

糾纏交換現象

作為量子中繼器工作的關鍵技術，糾纏交換現象被用於在沒有交互的粒子之間產生遠程量子相關。

南非金山大學的一個研究團隊進行的實驗表明，可以在獨立的光子之間建立量子相關性，並且可以利用這種相關性通過虛擬鏈路發送信息。他們的實驗沒有區分不同的反對稱狀態，因此，同時在幾千對不同空間光模式的光子之間觀測到糾纏交換現象。

多重軌道角動量模式「字母表」，光可以進行多次扭曲形成高維的字母表示

實驗過程

研究人員通過在六個2維多重軌道角動量子空間中對糾纏狀態的電子對進行層析成像來證實糾纏交換的完成。他們將六個子空間組合成一個在高維空間中代表最終狀態的4維混合狀態。他們設計了糾纏凈化方案，以將這種混合狀態轉換為純高維狀態，從而可以在不增加額外光子的情況下向任何尺寸擴展。

對於所有子空間，研究人員測量結果均大於零，表明交換在多個多重軌道角動量子空間均成功建立。對於每個子空間，研究人員在重建狀態和最大糾纏的反對稱狀態之間獲得了80％的平均保真度。

未來應用

該方法可以為高比特率、安全、長距離高維量子通信鋪平道路。

使用兩級系統攜帶信息實現量子通信已經被成功驗證，但是使用高維度系統將允許每個粒子編碼更多的信息。這項工作是構建具有空間光模式的量子中繼器的第一步，對於寬頻長距離量子通信來說是重要的。該團隊還認為，光子糾纏可以在遠程狀態工程，遠程虛擬成像和多方位量子密鑰分發中廣泛應用。

圖為實驗原理圖。共產生了4個光子，每個糾纏源（BBO）一對。每對光子中的一個（圖中的B和C）在分數器上聚集在一起。當4個光子一起被測量時，之前獨立的光子A和D實現纏結

研究資助

該研究由歐盟第七框架計劃（(FP/2007-2013)/ERC GA 306559）、英國工程和物理科學研究委員會(EPSRC, UK, grants EP/M006514/1, EP/M01326X/1)、南非光子學項目以及加拿大自然科學與工程研究理事會(NSERC)共同資助。

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