“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
近日，南开大学李勇男教授与南京大学王慧田教授合作，针对光子高维轨道角动量纠缠表征难题，提出了利用二维探测器实现快速非扫描的量子态层析方法，为基于光子高维纠缠的量子信息技术和基本量子物理问题研究奠定了基础。
相关研究成果以“Two-Measurement Tomography of High-Dimensional Orbital Angular Momentum Entanglement”为题，于2023年2月3日发表在Physical Review Letters上。
2023 | 前沿进展高维纠缠不仅能够实现比二维情况更多的比特编码、增加量子信道上的通信容量，而且还能改善对噪声的鲁棒性。作为光子的一个新内禀自由度，轨道角动量(OAM)理论上具有无限维度，为解决光通信系统容量瓶颈问题提供了一条有效途径。
2001年，物理学诺贝尔奖得主安东·塞林格教授等首次提出利用光子OAM实现了高维量子纠缠，其不仅可以大幅度增加光子的信息携带量，还可以提高量子密钥传输的安全性，因此该研究受到了广泛关注。然而，在光子OAM的实际应用中，其挑战之一是发展高效的高维OAM纠缠态表征方法。传统的全量子态层析是获取量子态所有信息的标准技术，因其所需的测量次数随维度呈指数增长，使其在高维系统中变得不切实际。因此，研究人员非常期待能够找到有效方法，以尽可能少的测量来表征高维纠缠态，而无需引入不必要的假设。针对上述问题，该研究团队提出了一种高效的高维OAM纠缠表征方法，其核心思想是用二维阵列探测器取代传统的单像素探测器，基于干涉原理并结合傅里叶变换，从二维量子符合计数中解调出高维量子信息，如图1所示。
研究人员通过在空间光调制器（SLM）上加载优化的全息相位图，将Signal光子投影到OAM的叠加态上，并利用单模光纤（SMF）进行收集、测量后，作为触发信号输送到ICCD。基于纠缠光子的关联特性，利用ICCD对Idler光子进行测量，可得到二维符合计数图案（图2），该图案与待测的OAM纠缠的系数相关。通过在二维符合计数图案上取一定数量的同心圆并进行拟合，利用傅里叶变换即可得到相应基矢的系数。研究发现，对于任意维度的OAM纠缠，只需要进行两次投影测量即可重构其密度矩阵，实验上对三维OAM纠缠态进行了测量，保真度达到97%。同时，该方法也可用于混合纠缠态的表征测量（图3）。该研究工作首次提出了非扫描且与维度无关高维OAM纠缠表征方法，对于任意维度OAM纠缠只需两次测量。该思想还可以拓展到其它空间模式纠缠和多光子纠缠等，为实现大容量量子通信和量子过程层析奠定了基础。未来与机器学习结合，将会为复杂情况下、如大气和光纤中的高维光量子信息应用提供更多有趣且高效的测量思路。南开大学为第一完成单位，南开大学本科生李逸(已保送至北京大学)和博士生黄双印(现为南京大学博士后)为共同第一作者。李勇男教授和王慧田教授为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.050805
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