近日，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李勇男教授研究組與南京大學(xué)王慧田教授合作，針對(duì)光子高維軌道角動(dòng)量表征難題，提出了利用二維探測(cè)器實(shí)現(xiàn)快速非掃描的量子態(tài)層析方法。

高維糾纏不僅能夠?qū)崿F(xiàn)比二維情況更多的比特編碼，以增加量子信道上的通信容量，而且能夠改善對(duì)噪聲的魯棒性。作為光子的一個(gè)新內(nèi)稟自由度，軌道角動(dòng)量(OAM)理論上具有無(wú)限維度，為解決光通信系統(tǒng)容量瓶頸問(wèn)題提供了一條有效途徑。

2001年，物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主安東·塞林格教授等首次提出利用光子OAM實(shí)現(xiàn)了高維量子糾纏，其不僅可以大幅度增加光子的信息攜帶量，還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩�性，而受到了廣泛關(guān)注。

然而，在光子OAM的實(shí)際應(yīng)用中，其挑戰(zhàn)之一是發(fā)展高效的高維OAM糾纏態(tài)表征方法。傳統(tǒng)的全量子態(tài)層析是獲取量子態(tài)所有信息的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但其在高維系統(tǒng)中變得不切實(shí)際，因其所需的測(cè)量次數(shù)隨維度呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，非常期待能夠找到有效的方法，以盡可能少的測(cè)量來(lái)表征高維糾纏態(tài)，而不引入不必要的假設(shè)。

此次研究成果核心思想是用二維陣列探測(cè)器取代傳統(tǒng)的單像素探測(cè)器，基于干涉原理并結(jié)合傅里葉變換，從二維量子符合計(jì)數(shù)中解調(diào)出高維量子信息。該方法的特點(diǎn)是非掃描且與維度無(wú)關(guān)，對(duì)于任意維雙光子OAM糾纏態(tài)，僅需兩次測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)高保真度的密度矩陣重構(gòu)。該思想還可以拓展到其它空間模式糾纏、多光子糾纏及混合態(tài)糾纏等，為實(shí)現(xiàn)大容量量子通信和量子過(guò)程層析奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，將會(huì)為復(fù)雜情況下，如大氣和光纖中的高維光量子信息應(yīng)用提供更多有趣且高效的測(cè)量思路。