在量子信息科學(xué)中，量子隱型傳態(tài)是最重要和極具吸引力的合同之一，借助該合同可以實現(xiàn)對未知量子態(tài)無實體地高保真異地傳輸。量子隱型傳態(tài)的概念自1993年被提出以來，遭到了全球諸多科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并在實驗和理論方面都取得極大的進(jìn)展。尤其是近些年來我國科學(xué)家在遠(yuǎn)距離星地以及光纖通道量子隱型傳態(tài)方面更是取得了一系列突破性進(jìn)展。
在量子隱型傳態(tài)的研究中，信息傳輸能力是評判量子隱型傳態(tài)性能的一個重要指標(biāo)。在精典的光通訊中，多路復(fù)用可以通過將多個通訊信道合并成一個信道來大大增強(qiáng)信息傳輸能力。可以想像，多路量子隱型傳態(tài)的發(fā)展將大大增強(qiáng)其信息傳輸能力。
在本研究工作中，荊杰泰院士團(tuán)隊充分借助這種量子糾纏源的高容量特點，并與全光量子隱型傳態(tài)合同相結(jié)合，在單一體系中同時建立了九套并行的量子隱型傳態(tài)通道。在此基礎(chǔ)上，實驗演示了兩個互相獨立且正交的軌道角動量模式的同時隱型傳送。該工作為確定性地實現(xiàn)多通道并行量子通訊合同開辟了公路，并為建立高容量全光量子通訊網(wǎng)路奠定了基礎(chǔ)。
在實驗中，如圖1所示，該團(tuán)隊首先借助原子系綜四波濾波過程制備了多通道光學(xué)軌道角動量復(fù)用的連續(xù)變量糾纏源，并分發(fā)到參與量子隱型傳態(tài)合同的發(fā)送方(Alice)以及接收方(Bob)。Alice借助一個高增益光學(xué)熱阻放大器，把待傳輸態(tài)與她所擁有的量子糾纏資源進(jìn)行模式匹配的熱阻放大，并將放大后的光學(xué)輸出無檢測地通過一個全光通道傳輸給Bob。Bob在收到全光訊號以后，借助一個線性光學(xué)分束器，將其與自身所擁有的量子資源進(jìn)行相干操控，進(jìn)而實現(xiàn)待傳態(tài)的高保真復(fù)現(xiàn)。通過借助光學(xué)軌道角動量模式對待傳態(tài)進(jìn)行編碼，實現(xiàn)了九通道量子隱型傳態(tài)保真度對精典極限的突破，演示了單一體系中九個量子隱型傳態(tài)通道的同時打造。
為了在實驗上演示這一全光體系所具有的量子隱型傳態(tài)并行處理能力量子隱態(tài)傳輸，該團(tuán)隊在輸入端用光學(xué)軌道角動量同時編碼了兩個模式獨立且正交的待傳態(tài)，借助上述建立的全光量子隱型傳態(tài)體系量子隱態(tài)傳輸，在輸出端實現(xiàn)了這兩個待傳態(tài)突破精典極限的高保真復(fù)現(xiàn)，展示了該體系在信息容量提高方面的奇特優(yōu)勢。實驗結(jié)果如圖2所示。該工作發(fā)表于Nat11,3875(2020).
圖1：全光學(xué)量子隱型傳態(tài)系統(tǒng)示意圖
圖2：通過全光量子隱型傳態(tài)系統(tǒng)同時傳送兩個軌道角動量模式