基于光学轨道角动量模式的量子纠缠网络

量子纠缠是量子信息的重要资源。前期，基于光与原子系综的非线性相互作用，荆杰泰教授课题组已经在连续变量体系里产生了一系列光学轨道角动量模式复用的量子纠缠，然而这些模式在空间上重合在一起，要想实际使用这些模式组建量子纠缠网络，就必须发展光学轨道角动量模式分离器，把这些光学轨道角动量模式在空间上分别提取出来。

基于这一研究思路，近期，荆杰泰教授课题组提出并实验实现了一种基于光学轨道角动量模式分离器的多用户量子路由和纠缠网络的方案。在该方案中，四波混频过程产生的两个纠缠光束进入多个光学轨道角动量模式分离器，将不同轨道角动量模式按不同拓扑荷数间隔分离，从而构建了一个由不同光学轨道角动量模式组成的量子网路，该网络中的用户数量直接取决于级联的模式分离器数量。

在实验中，如图1(a)所示，基于原子系综的四波混频过程产生了连续变量两光束量子纠缠：探针光和共轭光。而后在此系统中集成了Sagnac干涉仪和道威棱镜，构建了光学轨道角动量模式分离器，实现了不同光学轨道角动量模式从不同通道分离的效果。实验上先后采用了对称的两个和四个模式分离器，分别构建了四个和六个用户的量子纠缠网络。而后，采用部分转置正定判据判断了量子网络的纠缠特性，其中四用户网络产生了七对纠缠，六用户网络产生了五对纠缠，纠缠双方不与其他用户重叠，具有唯一对应的关系，结果如图1(b)所示。

在此基础上，该课题组将分离出的高斯模式探针光经过一根一公里光纤传到了远方，并加入相位锁定技术来测量接收者的正交振幅和正交相位分量的量子特性，经过对共轭光量子特性数据的延迟处理，测得二者纠缠大小为0.816±0.012，小于非纠缠边界1，从而有效维持了该量子纠缠网络中的远距离接收者的量子纠缠特性。该实验构建的基于光学轨道角动量复用的连续变量量子纠缠以及光学轨道角动量的模式分离器的多用户量子网络，将量子纠缠用户数目大幅增加，用户的距离也扩展到了公里光纤级别。该结果将为构建多用户全光纤量子通信网络奠定重要基础。该研究成果发表于Laser. Photonics. Rev. 16, 2100586 (2022)。

图1: (a)模式分离纠缠网络实验装置示意图 。(b)模式分离纠缠网络的部分实验结果。