作为最重要的量子资源之一，量子纠缠态已经成为量子信息科学领域的关键组成部分。基于光子多自由度编码的超纠缠量子态可以为每个光子编码更多的量子比特，显著增加信道容量，在密集编码、纠缠蒸馏等诸多量子信息任务中都有重要的作用。近年来随着量子信息技术的不断发展，基于现有量子科技手段构建实用化的量子网络已成为一个热门话题。在偏振和time-energy这两个光子自由度制备出结构紧凑、可提供大量通信波段纠缠光子对的高性能超纠缠源，已成为构建大规模量子通信网络重要的先决条件。另一方面，高保真度偏振纠缠量子态的精确操控是密集编码、贝尔态测量等量子信息技术的基本前提。

课题组通过利用铌酸锂波导中的级联倍频和自发参量下转换二阶非线性效应制备了高性能的偏振和time-energy自由度的超纠缠量子光源，并利用铌酸锂波导的高速电光效应对偏振态进行相干操纵。偏振time-energy超纠缠量子态的产生装置由光纤偏振分束器和高效率周期极化铌酸锂波导构成。纠缠源所产生的偏振纠缠态保真度和双光子干涉对比度均大于99%。同时，实验人员通过利用两个臂长差为1ns的马赫曾德干涉仪构成Franson-type干涉仪，对光子对的time-energy纠缠特性进行检验。实验测得Franson干涉条纹对比度大于98%，验证了纠缠源具有较好的time-energy纠缠特性。然后，研究人员将光子对的信号光子注入另一条镀有金属电极的脊型铌酸锂波导中，通过施加电压对双光子偏振纠缠态进行相干操纵。实验结果显示，偏振纠缠态成功地转换到另一个最大贝尔态，转换后的量子态保真度大于97%。该纠缠态产生和操纵系统具有全光纤结构，可有效减小量子通信系统的体积，为构建大规模量子网络提供结构紧凑的高性能光源，并在密集编码、量子态传输等量子通信任务中有较大应用前景。

FIG. 1. (a), (b) Real and imaginary parts of the reconstructed density matrix for the polarization entangled state. (c) Two-photon coincidence count as a function of signal polarization under two nonorthogonal projection bases. (d) Franson-type interference patterns for observing time-energy entanglement.

该工作被发表在 “Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanhua Li, Zhantong Qi, Chuangyi Lu, Yuanlin Zheng and Xianfeng Chen, High-performance hyperentanglement generation and manipulation based on lithium niobate waveguides, Physical Review Applied, 17, 054002 (2022)”。

原文链接： https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.054002