作为量子力学的基本特征，量子纠缠是量子信息技术领域中重要的量子资源。基于量子纠缠的多用户量子通信网络为很多前沿应用，如多用户密钥分发、分布式量子传感等，提供了一个重要的平台。然而，由于现实环境中存在各种各样的散射事件，特别是那些频率敏感的散射，如多模光纤中的散射，会在在空间模式和时域模式上都严重影响量子关联，在现实场景中实现大规模量子网络仍然具有挑战性。当相干光通过多模光纤等对频率敏感的复杂散射介质时，由于频率相关的模式耦合效应和干扰，输出光场会随着频率发生剧烈变化，表现为各种输出散斑图。为了在未来的量子网络中实现最佳质量的纠缠分发，需要一种频率无关的时空整形技术来补偿量子链路各频率分量的散射影响。

我们通过利用傅里叶变换4f系统搭配液晶空间光调制器作为单光子整形装置，在多用户量子网络中实现了基于遗传优化算法的频率无关单光子波前整形。实现结果如图1所示，经过300代的优化后，不同波长通道的纠缠分发过程都得到了显著的增强。这种方法可以有效地改善多模光纤的纠缠分发过程，同时网络的量子特性在经过时空整形后可以被很好地保持。这种方案可以作为一种桥接技术，可帮助提高多频率量子系统不同远程节点间的纠缠分发过程，在未来现实量子网络中具有很大的应用潜力。

Fig. 1 Optimization processes. a Performance of the genetic algorithm for the Fourier transform shaping setup. b Enhancement of the entanglement distribution. The inset presents the optimal phase pattern after the shaping process.

Fig. 2 Adaptive spatiotemporal shaping for enhancing the SFG process. a Experimental SFG efficiency versus pump power. b The genetic algorithm performance of spatiotemporal shaping. The inset presents the optimal phase pattern after the shaping process.

该成果发表在“Yiwen Huang, Zhantong Qi, Yilin Yang, Yuanhua Li, Yiwei Sun, Yongzhi Tang, Fengchao Ni, Lanting Li, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, requency-insensitive Spatiotemporal Shaping of Single Photon in Multiuser Quantum Network, npj Quantum Information, 9, 83 (2023)”。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-023-00752-2