華東師大實現全光量子糾纏交換

  近期，華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室荊杰泰教授課題組在量子信息研究領域取得重要進展，實現了全光量子糾纏交換協議。量子信息科學包括量子精密測量、量子通信以及量子計算三大領域，其旨在利用量子資源，實現高安全性、高保真度以及高容量信息處理方式。與量子隱形傳態和量子密集編碼協議一樣，量子糾纏交換協議也是量子信息科學中最重要的協議之一。由于利用量子糾纏交換協議可以使得兩個沒有直接相互作用的粒子發生糾纏，其被認為是實現量子中繼構建量子網絡的核心單元。

  《物理評論快報》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)）刊登荊杰泰教授課題組研究成果

  量子糾纏交換協議自1993年首次在理論上提出以來，受到了量子信息領域的持續關注，在分離變量和連續變量領域均取得了重要研究進展。在連續變量領域，實現量子糾纏交換需要采用基于光電和電光轉換的貝爾態測量，這極大限制了量子糾纏交換在構建寬帶量子網絡中的應用。為了解決這一問題，荊杰泰教授課題組提出并實驗實現了一種無測量的全光量子糾纏交換協議。在該協議中，基于四波混頻過程的低噪聲光學參量放大器通過對輸入態的高增益放大，避免了使用光電和電光轉換，從而無測量地實現了傳統方案中貝爾態測量的功能。該工作為實現量子糾纏交換提供了一種全光學模式，并為構建無測量的全光寬帶量子網絡奠定了基礎。

  全光量子糾纏交換協議示意圖

  在實驗中，首先通過搭建兩套四波混頻過程來產生兩組相互獨立的高糾纏度雙光束量子糾纏源（EPR1和EPR2）。Alice和Bob分別擁有兩組獨立雙光束量子糾纏中的一束。之后，將兩組獨立雙光束糾纏中剩下的兩束光通過4F成像系統傳給第三方Claire。Claire通過一個基于四波混頻過程的高增益低噪聲光學參量放大器對兩束光的量子信息進行全光學提取，并利用一個全光通道把提取到的量子信息傳輸給Bob。最后，Bob利用線性光學分束器將接收到的量子信息傳遞到其所擁有的光束上，從而完成全光量子糾纏交換。

  全光量子糾纏交換協議完成之后，兩個最初獨立的光場在沒有直接相互作用的情況下就具有了量子糾纏特性。如下圖所示，Alice和Bob擁有的兩個最初獨立的光場在全光量子糾纏交換協議完成之后，其正交振幅分量的量子關聯為0.43±0.06 dB，而正交相位分量的量子關聯為0.42±0.05 dB，展示出了顯著的量子糾纏特性。

  全光量子糾纏交換實驗結果

  為了在實驗上展示全光量子糾纏交換的寬帶寬特性，課題組還詳細測量了全光量子糾纏交換協議的帶寬，實驗結果表明在一定帶寬范圍之內均可以實現量子糾纏交換協議，成功突破了傳統方案的單邊帶運轉限制。此外，還測量了系統全光通道的抗損耗特性，實驗結果表明在高達70%損耗的情況下，系統仍能完成量子糾纏交換。

  這項研究成果以 All-Optical Entanglement Swapping 為題發表于國際物理學重要學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)），華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室為第一完成單位，課題組劉勝帥研究員為第一作者，荊杰泰教授為論文的通訊作者。 荊杰泰教授課題組長期聚焦于量子光源構建及其在量子信息科學中的應用研究。目前課題組已經構建了多種新型量子光源（PRL 123, 070506 (2019)、PRL 123, 113602 (2019)）、PRL 124, 083605 (2020)、PRL 124, 090501 (2020)、PRL 125, 140501 (2020)），并應用于實現量子信息協議，包括光學軌道角動量復用的全光量子隱形傳態（Nature Communications 11, 3875 (2020)）、光學軌道角動量復用的量子密集編碼（PRL 127, 093601 (2021)）、全光量子克隆機（PRL 126, 060503 (2021)）以及全光多功能量子態轉化機（PRL 126, 210507 (2021)）。截至目前，荊杰泰教授指導的研究生先后共有12人次獲得“研究生國家獎學金”，6人次獲得“上海市優秀畢業生”以及3人次獲得中國光學學會“王大珩高校學生光學獎”。

  相關鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060503