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[转载]研究快讯 | 高维纠缠的渐近锁定层析

已有 2028 次阅读 2020-3-3 15:30 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

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原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 10 February 2020;

online 22 February 2020

Asymptotical Locking Tomography of High-Dimensional Entanglement

Ling-Jun Kong(孔令军), Rui Liu(刘瑞), Wen-Rong Qi(齐文荣), Zhou-Xiang Wang(王周祥), Shuang-Yin Huang(黄双印), Chenghou Tu(涂成厚), Yongnan Li(李勇男), Hui-Tian Wang(王慧田)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (3): 034204

文章亮点

文章提出了一种非常实用的高效量子态层析方法—渐近锁定层析(ALT)。该方法只需<2d²的测量，即可获得双光子d维纠缠态的密度矩阵。基于实验上制备的双光子自旋-轨道角动量4维超纠缠态，文章验证了该方法的可行性，为高维量子态层析提供了一种全新的高效手段，有望成为高维量子态表征的标准方法之一。

高维纠缠的渐近锁定层析

研究背景

量子纠缠是量子信息处理中至关重要的一种资源，一直以来都是国际学术界研究的焦点。光子的偏振纠缠调控手段已相对成熟并应用于量子密集编码、量子密钥分发、量子隐形传态和纠缠交换等多种量子协议中。但是，因受其维度的限制，基于偏振Bell态的量子协议中，单粒子编码的信息量限制在2比特以内。高维纠缠是打破这一限制的重要途径，且相对于二维纠缠具有更强的鲁棒性。然而，若要利用高维纠缠态，先决条件之一就是能对其进行定量标定，可通过量子态层析实现。虽然目前已报道了几种量子态层析方法，诸如传统的量子态层析、无偏量子态层析和对称信息量子态层析等，但是这些方法随着纠缠维度的提高，所需的测量急剧增加（~d⁴），实用性大大降低，极大地妨碍了高维纠缠优势的发挥，限制了更广泛和深入的应用。因此，找到一种高效且实用的量子态层析方法是亟需解决的关键问题。

内容简介

南京大学物理学院王慧田教授和南开大学物理学院李勇男教授合作，提出了一种类反馈测量策略，在此基础上发展了渐近锁定量子态层析方法，只需<2d²的测量便可获得双光子d维纠缠态的密度矩阵。

在渐近锁定量子态层析中，对于一个未知的两粒子纯态，首先选择该量子态Hilbert空间中的一组正交完备基作为第一组测量基矢。例如，对于偏振纠缠态，可以选择水平偏振和竖直偏振{|H〉, |V〉} (或{|H〉+|V〉, |H〉-|V〉})为第一组基矢；对于轨道角动量纠缠态，选择拉盖尔-高斯模式{|m〉}为第一组基矢；对于自旋-轨道角动量超纠缠态，选择{|Hm〉,|Vm〉}为第一组基矢。基于两体符合计数测量结果，获得待测量子态在第一组基矢下的概率幅系数矩阵N'。为了进一步获得待测量子态在第一组基矢下的相位信息，需要选择第二组测量基矢，该步骤是渐近锁定层析的关键。一个合适的第二组基矢由第一组基矢、概率幅系数矩阵N'以及文章所提出的判定标准这三方面共同决定。将第二组测量基矢得到的概率幅系数矩阵记为N''。最后，基于N'、N''、第二组基矢和第一组基矢之间的变换矩阵，建立非线性方程组；解此非线性方程组即可锁定待测量子态的相位信息，从而得到密度矩阵。值得一提的是，文章提出了一种类反馈测量策略，将第一组基矢的测量结果作为反馈信息制定判定标准。文章以双光子4维自旋-轨道角动量超纠缠态为例，验证了渐近锁定层析的高效性和可行性。图1为实验装置示意图；图2为实验结果。