基于多光子纠缠的远距离量子态操纵和测量实验研究

Multi-photon entanglement is the main resource in quantum information processing, which has been the hot spot in worldwide research. Many important laboratory demonstration experiments, such as quantum teleportation, quantum swapping, quantum repeaters and quantum entanglement purification, are achieved by utilizing multi-photon entanglement. Long-distance quantum communication is the research field which promotes quantum information to practicability. In recent years, a series of record-breaking on transmission distance and final key rate is achieved in long-distance quantum communication experiments based on decay state and two-photon entanglement. Nevertheless, the quantum communication based on multi-photon entanglement is still limited in laboratory..Based on the rich experience in multi-photon entanglement and long-distance quantum communication, we would perform first in the world remote manipulation and measurement on the quantum states based on multi-photon entanglement in this project. We plan to implement the investigations orderly on high efficiency fiber coupling over long distance free-space optical channels and the highly precise time synchronization in multi-participant quantum communication. Furthermore, we will investigate the way to realize two-photon interference under the channel disturbance. .The implementation of this project would developed a valuable approach to transmit and manipulate the multi-photon entanglement over long-distance quantum channels, which can be a crucial step towards performing the experimental research on quantum nonlocality, quantum measurement and quantum repeaters.

多光子纠缠是量子信息处理的重要资源，量子态隐形传输、量子纠缠交换、量子中继、量子纠缠纯化的桌面演示都是基于多光子纠缠实验实现的，这类研究一直是国际研究的热点；远距离量子通信是真正把量子通信推向实用的研究领域，近年来基于单光子诱骗态的方案和基于双光子纠缠的远距离量子通信实验记录不断刷新，然而基于更多粒子的量子通信还仅限于实验平台的演示。.本项目依靠在多光子纠缠和远距离量子通信方面的多年技术积累，国际上首次开展基于多光子纠缠的远距离量子态操纵和测量的实验研究。我们将逐步开展远距离高损耗信道下的多光子纠缠分发实验研究、多方量子通信及量子测量中的高精度时间同步研究，在此基础上进一步探索在受信道干扰情况下，光子干涉的实现方法。.本项目的实施将发展起一套远程多光子纠缠的传输和操纵技术，将为开展多体纠缠的量子力学非定域性、量子测量、量子中继等实验研究迈出关键性一步。

基于自由空间信道的量子通信是建立全球范围量子通信网最具竞争力的实现途径之一。百公里量级的自由空间量子密钥分发，纠缠分发和量子隐形传态都已实现。然而纵观以往的自由空间量子通讯实验中，量子操作均在发射端进行，即对单光子先操作再远距离传输。而实现远程的量子操纵（如BSM 或HOM 干涉）即使在室内光纤中也鲜有报道，这不仅要求很高的收集效率，还需要在发送和接收的过程中保持光子中两个光子的不可分辨性，系统复杂度更高。我们在干涉一臂是220 米自由空间信道的情况下实验观测到稳定的双光子干涉。通过对干涉进行了长达100 分钟的监测，实验结果显示整个过程中，光子对中孪生光子的不可分辨性保持良好，平均可见度为71%。我们首次实验验证了远距离自由空间HOM 干涉的可行性，迈出了通向远距离自由空间贝尔态测量的第一步。在上述自由空间实验中，信道衰减是制约传输距离的关键。而量子光束在穿越大气信道时将不可避免的受到大气湍流的影响，导致光束发生到达角的高频起伏，光束漂移及光束扩展。针对大气湍流对自由空间量子信道带来的影响，我们设计了一套可用于自由空间量子通信的发射装置，首次将自适应光学装置应用于该类型发射系统中，同时配备光束指向设备，通过对接收端发来的参考光进行探测和矫正，实时的对量子光束进行预矫正。通过在30米自由空间信道中引入湍流效应的方法，实验验证了该发射装置的有效性。为进一步将自适应光学系统真正应用于自由空间量子通信起到了指导作用。