華中師范學院數(shù)學與電子科學大學精密波譜科學與技術(shù)國家重點實驗室荊杰泰院士團隊近日在量子通訊以及量子精密檢測領(lǐng)域連續(xù)取得重要進展量子糾纏 通訊，陸續(xù)發(fā)覺急劇提高量子糾纏容量和量子關(guān)聯(lián)度的新方式，兩項相關(guān)研究成果均發(fā)表于國際數(shù)學學刊物《物理評論快報》上。
▲荊杰泰院士實驗團隊合照
量子通訊研究
在量子通訊研究方面，荊杰泰院士團隊借助光學軌道角動量這個自由度，在實驗上實現(xiàn)了一種光學軌道角動量復用的連續(xù)變量量子糾纏體系。該成果以“---fromFour-WaveinHotVapor”為題，于2019年8月發(fā)表在英國數(shù)學學會的《物理評論快報》(123,(2019))上。
該論文以華中師范學院為第一完成單位，精密波譜科學與技術(shù)國家重點實驗室的博士研究生潘曉州為論文第一作者，碩士研究生余勝、周延芬、呂樹超以及博士研究生張昆、張凱、李思瑾、王偉都對論文有重要貢獻，荊杰泰院長為論文的通信作者。
▲光學軌道角動量復用的連續(xù)變量糾纏系統(tǒng)示意圖、13對量子糾纏判斷以及光學軌道角動量守恒驗證的相關(guān)實驗結(jié)果
近些年來，量子通訊領(lǐng)域發(fā)展迅速，而量子糾纏是量子通訊中十分重要的量子資源。提升量子通訊體系中的糾纏容量，進而提升量子通訊的信道容量對于實現(xiàn)大尺度量子通訊網(wǎng)路至關(guān)重要。一方面，復用()是提升精典通訊系統(tǒng)信息承載能力的重要手段。而另一方面，光學軌道角動量()作為一個重要的數(shù)學量，導致了廣泛的研究興趣，因為光學軌道角動量具有無限帶寬，螺旋波前等性質(zhì)特性，早已被成功應(yīng)用于精典光通信、光學操控微粒以及分離變量量子糾纏等領(lǐng)域。
荊杰泰院士團隊把復用的概念和光學軌道角動量自由度相結(jié)合，并應(yīng)用于連續(xù)變量糾纏體系，進而提出了一種通過復用光學軌道角動量的不同模式來大幅度降低連續(xù)變量量子通訊體系糾纏容量的方案，但是最終在實驗上得以實現(xiàn)。
▲123,(2019)論文作者合照
在實驗中，該團隊借助熱銣原子系綜中的四波濾波過程形成了兩個量子關(guān)聯(lián)的雙胞光束。在這兩個雙胞光束通道中，系統(tǒng)同時確定性地形成了13對兩兩糾纏的拉蓋爾高斯(-)模式,
對應(yīng)的光學軌道角動量拓撲荷數(shù)，Pr和Conj代表兩個雙胞光束通道。
該團隊發(fā)展了基于LG模式的量子糾纏偵測方案，并借助這一偵測方案成功在實驗上驗證了這種對應(yīng)模式之間的量子糾纏特點。同時該工作還驗證了系統(tǒng)中
之間不存在量子糾纏,因而從連續(xù)變量體系的角度證明了在四波濾波過程中，非線性互相作用遵循光學軌道角動量守恒定理。據(jù)悉，該工作還研究了四波解調(diào)系統(tǒng)中三種不同類型的光軌道角動量相干疊加模式情況下的量子糾纏特點。
團隊系統(tǒng)地研究了泵浦光場的腰斑半徑大小對模式復用數(shù)量的影響，發(fā)覺復用數(shù)量隨著泵浦腰斑的降低而有效降低。此研究首次提出了將光學軌道角動量復用的概念應(yīng)用于連續(xù)變量量子體系，實現(xiàn)了光學軌道角動量復用的連續(xù)變量量子糾纏系統(tǒng)，因而大幅度提升了系統(tǒng)的量子糾纏容量。該工作為連續(xù)變量量子通訊研究提供了一個嶄新的研究平臺和思路。
量子精密檢測研究
在量子精密檢測研究方面，荊杰泰院士團隊在實驗上借助干涉()效應(yīng)，在連續(xù)變量量子體系中實現(xiàn)了兩光束間以量子壓縮()表征的量子關(guān)聯(lián)的提高。
該成果以“-inaTwo-beamPhase-”為題于2019年9月發(fā)表在《物理評論快報》(123,(2019))上。該論文同樣以華中師范學院為第一完成單位，精密波譜科學與技術(shù)國家重點實驗室的博士研究生劉勝帥和婁彥博為論文共同第一作者，荊杰泰院長為論文的通信作者。
▲雙光束相敏放大器系統(tǒng)示意圖、系統(tǒng)輸出端的干涉白色以及干涉誘導的量子壓縮提高實驗結(jié)果
量子壓縮是一種十分重要的非精典效應(yīng)，它與量子化學中的“不確定性原理”密切相關(guān)，因而對于量子化學的基礎(chǔ)研究具有重要的科學價值。同時量子壓縮又可以急劇增加系統(tǒng)的量子噪音，因而明顯提升系統(tǒng)的幀率和靈敏度，因而它又在量子精密檢測當中具有重要的應(yīng)用價值。諸如，量子壓縮可以拿來增強激光干涉儀引力波天文臺、原子磁力儀和光機磁力儀的靈敏度。
據(jù)悉，量子壓縮還可以用于優(yōu)化激光束定位、旋轉(zhuǎn)角檢測以及時間傳遞等。可以說量子壓縮的壓縮程度直接決定了它對化學系統(tǒng)性能的改善程度。為此，提高量子壓縮對于量子精密檢測至關(guān)重要的。
近幾年，基于原子系綜四波濾波過程的非相敏放大器被證明是形成量子壓縮的一種特別有效的技巧。由該系統(tǒng)形成的量子壓縮光束在量子成像、量子糾纏延后以及非線性干涉儀等領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。與此不同，該團隊另辟蹊徑，在實驗上實現(xiàn)了借助相敏放大器中的干涉效應(yīng)來提高量子壓縮的方案。
▲123,(2019)論文作者合照
在實驗中，該團隊分別檢測了相同實驗條件下非相敏放大器和相敏放大器形成的硬度液位縮光束的量子關(guān)聯(lián)。實驗結(jié)果顯示相敏放大器形成的關(guān)聯(lián)光束的量子壓縮度要明顯優(yōu)于非相敏放大器，并成功突破10dB。
研究發(fā)覺這些量子壓縮的提高來始于理論預測中的一個干涉項，因而該團隊在實驗上詳盡剖析了這一干涉項中系統(tǒng)增益、注入光硬度比列以及干涉相位點對量子壓縮的調(diào)控作用，這種研究結(jié)果清晰地表明相敏放大器中的量子壓縮提高來始于其內(nèi)在的干涉本質(zhì)。該工作是一種新的提高量子壓縮的有效方式，因而在提升量子檢測的精度方面具有潛在的應(yīng)用價值。
第一作者都是博士研究生
量子通訊和量子精密檢測是當前國際上量子信息技術(shù)發(fā)展中的兩大重要領(lǐng)域，該研究團隊在這兩個方面連續(xù)取得了重要進展，是常年積累的結(jié)果。
荊杰泰院長常年從事量子光學、原子分子光化學方面的實驗和理論研究，近些年來在基于原子系綜量子光源的實驗形成及其在量子通訊和量子精密檢測的應(yīng)用方面取得了系列研究成果。
相關(guān)成果陸續(xù)以通信作者身分發(fā)表在本領(lǐng)域國際重要學術(shù)刊物上，包括以及等，相關(guān)研究成果遭到多個國際國外同行研究組的系列引用。荊杰泰院長曾主持國家自然科學基金委重大研究計劃重點支持項目，曾榮獲教育部“新世紀優(yōu)秀人才”、上海市“曙光學者”以及北京市“浦江人才”。
▲荊杰泰院士和實驗團隊成員
本次同刊發(fā)表的兩篇論文，第一作者均是該團隊的博士研究生。荊杰泰院士率領(lǐng)中學生步入當前國際上前沿的量子信息研究領(lǐng)域，鼓勵她們積極參與國際學術(shù)交流活動，充分迸發(fā)出她們的研究興趣，使她們常年保持強烈的研究熱情。
“只有這樣，中學生們在碰到科學或技術(shù)困局時才會攻堅克難，仍然堅持下去。”荊杰泰表示。截止目前量子糾纏 通訊，荊杰泰院士指導的研究生1人次獲得2014年王大珩院校中學生光學獎、3人次獲得北京市優(yōu)秀結(jié)業(yè)生、8人次獲得研究生國家獎學金。