基于线性光学的多光子极化-空间-时间通用超纠缠浓缩

超纠缠是量子系统的多个自由度同时存在纠缠的现象[1]。在量子通信过程中引入超纠缠能够提高通信的信道容量并节约资源，例如超纠缠量子隐形传态、超纠缠交换和超纠缠态分析[2]等。在实际的量子通信过程中，由于存在信道和存储环境噪声，局域制备的超纠缠系统在传输过程中会出现退相干和退纠缠等现象。超纠缠浓缩是一种从非局域非最大超纠缠态中提取非局域最大超纠缠态的物理处理方法，是提高非局域超纠缠态保真度的一种有效方法。

基于线性光学的纠缠浓缩方案具有操作简便、易于实现等优点[3,4]。在浓缩超纠缠态时需要对光子系统的多个自由度作用互不影响的操作。当非局域非最大超纠缠态系数已知时，可以应用系数劈裂方法以最大成功率从非最大超纠缠态中浓缩出最大超纠缠态[5]。当非局域非最大超纠缠态系数未知时，可以应用施密特投影方法进行超纠缠浓缩，即对光子系统的多个自由度同时作用宇称测量。利用线性光学，任宝藏等人、李熙涵等人分别提出了系数未知的极化-空间两自由度超纠缠浓缩方案[5]和极化-时间两自由度超纠缠浓缩方案[6]。 

如果将光子系统的编码空间扩展到三个自由度，利用线性光学完成超纠缠浓缩任务将会更加困难[7]。最近，王虹、任宝藏等人提出了基于线性光学和Pockels盒的多光子极化-空间-时间三自由度通用超纠缠浓缩方案[8]。在该方案中，只需要两个拷贝的非局域光子系统，且只需要三个通信方对光子系统分别作用极化、空间和时间自由度的宇称测量操作，就能够从非局域非最大超纠缠态中浓缩出最大超纠缠态。这一方法操作简洁，能够减少资源消耗，成功率不受光子数影响始终保持为最优，并能进一步推广应用于更多自由度光子系统超纠缠浓缩。因此，该方案在高容量量子通信中具有较高的应用价值。

References

1．P. G. Kwiat, Hyper-entangled states, J. Mod. Opt. 44(11–12), 2173 (1997)

2．Y. B. Sheng, F. G. Deng, and G. L. Long, Complete hyperentangled-Bell-state analysis for quantum communication, Phys. Rev. A 82(3), 032318 (2010)

3．Z. Zhao, T. Yang, Y. A. Chen, et al., Experimental realization of entanglement concentration and a quantum repeater, Phys. Rev. Lett. 90, 207901 (2003)

4．T. Yamamoto, M. Koashi, S. K. Ozdemir, et al., Experimental extraction of an entangled photon pair from two identically decohered pairs, Nature 421, 343–6 (2003)

5．B. C. Ren, F. F. Du, and F. G. Deng, Hyperentanglement concentration for two-photon four-qubit systems with linear optics, Phys. Rev. A 88(1), 012302 (2013)

6．X. H. Li and S. Ghose, Hyperentanglement concentration for time-bin and polarization hyperentangled photons, Phys. Rev. A 91(6), 062302 (2015)

7．B. C. Ren, H. Wang, F. Alzahrani, A. Hobiny, and F. G. Deng, Hyperentanglement concentration of nonlocal two photon six-qubit systems with linear optics, Ann. Phys. 385, 86 (2017)

8．H. Wang, B. C. Ren, A. H. Wang, A. Alsaedi, T. Hayat, and F. G. Deng, General hyperentanglement concentration for polarization-spatial-time-bin multi-photon systems with linear optics, Front. Phys. 13(5), 130315 (2018)

文献链接：

Hong Wang, Bao-Cang Ren, Ai Hua Wang, Ahmed Alsaedi, Tasawar Hayat, and Fu-Guo Deng, General hyperentanglement concentration for polarization-spatial-time-bin multi-photon systems with linear optics, Front. Phys. 13(5), 130315 (2018)