全连接型三用户量子纠缠网络

发布时间:2023-05-26       阅读:352


随着量子信息技术的逐步成熟,构建天地一体化的大规模量子通信网络已成为一个蓬勃发展的热点研究领域。近年来,基于量子纠缠的全连接型量子通信网络在大规模城域网络建设中备受关注。这种全连接型拓扑结构的量子网络可以采用最小的基础硬件设施来实现多用户间的相互通信,对构建大规模城域量子网络具有至关重要的作用。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,在诸多量子信息任务中都有重要的作用。偏振和轨道角动量编码的全连接型超纠缠量子网络,可实现更大的网络通信容量和更强抗干扰能力,将为终端用户提供一个可执行多种量子任务的多功能量子平台。


课题组通过使用密集波分复用和纠缠转换技术,将量子纠缠从时间能量转移到轨道角动量自由度,构建具有全连接型拓扑结构的超纠缠三用户网络。研究人员利用波分复用技术将三个高保真度的偏振和时间能量超纠缠态复用至单模光纤中,形成全连接型拓扑网络结构。每两个用户之间共享一个独立的量子纠缠态,不同的纠缠态可通过双光子符合时间函数分辨。


然后采用三个干涉仪和螺旋相位板构成的量子逻辑门将时间能量纠缠转换为轨道角动量纠缠,从而实现偏振和轨道角动量超纠缠的全连接型量子网络。通过采用液晶空间光调制器和单模光纤的组合测量了轨道角动量纠缠双光子干涉条纹,获得各用户共享的纠缠态的干涉条纹平均可见度大于95%,验证了所构建的量子网络轨道角动量纠缠的存在。这种基于纠缠转换的方法为构建大规模多自由度超纠缠量子网络提供了新思路,可为终端用户提供一个可执行超密集编码、隐形传态和纠缠蒸馏等多种量子任务的多功能量子平台。




图1.(a)构建量子网络所使用的ITU波长通道的总传输效率。(b)各用户之间的双光子符合时间函数。




图2. (a)轨道角动量纠缠双光子干涉条纹。(b)各用户轨道角动量双光子干涉条纹可见度。


该成果发表在“Yiwen Huang, Yuanhua Lil, Zhantong Qi, Yilin Yang, Yuanlin Zheng and Xianfeng Chen, A fully-connected three-user quantum hyperentangled network, Quantum Frontiers, 2, 4 (2023)”。


论文链接:https://doi.org/10.1007/s44214-023-00030-4