未来量子通信网络将集成自由空间和光纤链路，并由多种编码形式的量子节点组成。为执行各种各样的量子任务，量子网络节点需将携带量子信息的纠缠态在不同光子自由度之间的来回切换，例如自由空间中轨道角动量（OAM）自由度与光纤中的time-energy自由度之间的来回切换。这便需要一个双向可逆的量子纠缠转换接口完美地执行这样的功能，以连接不同编码形式的远程节点，它是实现大规模复合量子网络远程节点通信的关键技术。对基于量子纠缠的量子网络，常用于编码纠缠态的有偏振、time-energy、路径、轨道角动量（OAM）等光子自由度。其中，OAM维度的量子纠缠态由于具有独特的光场相位分布以及无限高的拓扑维度，是各种量子信息任务的重要选择，而time-energy纠缠可以实现远距离光纤通信。实现time-energy维度和OAM维度的光量子纠缠双向转换接口对构建大规模复合量子网络意义重大。

Fig. 1 Experimental setup. a Schematic of the experimental setup of Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) source. b Schematic of the experimental setup for characterizing the OAM entanglement. c Schematic of the main experimental setup of two-way entanglement transfer.

我们通过将相位自稳定的Sagnac干涉环搭配螺旋相位板作为模式转换器构成量子逻辑门，实现了time-energy与OAM维度之间双向可逆的量子纠缠转换接口。为将time-energy编码的纠缠态相干地把光子所携带的量子信息转换到OAM维度，拓扑荷为l1 和l2的螺旋相位板用作模式转换器插入到马赫曾德干涉仪的长短臂中以形成干涉量子门。当高斯光子通过螺旋相位板时，它的方位角相位获得一个相位因子，模场轮廓变成OAM模式。通过短路径的光子离开干涉仪时携带OAM模式l1，而通过长臂的光子携带OAM模式l2，由此可获得OAM纠缠态。我们利用量子态层析技术重构OAM量子态的密度矩阵，得到了制备的OAM纠缠量子态的平均保真度为94.1% (图2)。接着，我们采用偏振分束器、反射镜及道威棱镜组成的OAM模式分离器与不等臂马赫曾德干涉仪级联，成功将OAM量子纠缠态转换回了time-energy纠缠态。转换后的time-energy纠缠态双光子干涉条纹对比度依旧大于90% (图3)，说明了量子纠缠特性在转换的过程中得到了很好的保持。该光量子接口不仅可用于制备多通道 OAM 纠缠源，还为建立不同编码类型的远程节点之间的通信提供技术支撑，在未来的量子通信网络中具有较大的应用潜能。

Fig. 2 The measured density matrices, fidelity and purity of the OAM entangled states.

Fig. 3 Two-photon interference fringes for time-energy entanglement after QET.

该成果发表在“Yiwen Huang, Yuanhua Li, Zhantong Qi, Juan Feng, Yuanlin Zheng and Xianfeng Chen. A two-way photonic quantum entanglement transfer interface. npj Quantum Inf 8, 8 (2022).”

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41534-022-00519-1