高探测效率高维纠缠的制备与应用

Quantum information is a new interdisciplinary subject of quantum physics and information science. After more than 30 years of development, quantum information has developed many branches, such as quantum communication, quantum computing, quantum precision measurement and other emerging technologies. Quantum entanglement is one of the most important resources. However, the main research direction is focused on two-dimensional entanglement, while the research on high-dimensional entanglement is less. Compared with two-dimensional system, high-dimensional system has many advantages in the field of quantum information, such as higher information capacity, better confidentiality of communication, better resistance of entanglement allocation to noise, lower complexity of quantum computation, etc. Therefore, the study of high-dimensional entanglement has become a hot topic in quantum information research. he applicant has done a lot of work in the field of high dimension, developed high fidelity path entanglement source, prepared high brightness path entanglement source and completed quantum dense coding, prepared polarization path mixing high dimension entanglement source and distributed 8 meters in free space. This project intends to improve the detection efficiency of entangled light sources, close the detection efficiency loopholes, and complete the preparation of multi-particle high-dimensional quantum states.

量子信息学是量子物理和信息科学交叉的新型学科。经过30余年的发展，量子信息学发展出了许多分支，量子通信，量子计算，量子精密测量等新兴技术。量子纠缠是其中的一个重要的资源。然而现在主流的研究方向主要集中在二维纠缠的研究，而对于高维纠缠的研究较少，高维系统相对于二维系统在量子信息领域有很多的优势，更高的信息容量，通信的保密性更好，纠缠分配对噪音的抵抗力更好，可以降低量子计算的复杂度等，所以现在对于高维纠缠的研究变成了量子信息研究的一个热点。本申请人已经在高维领域做了许多工作，开发了高保真度的路径高维纠缠源，制备了高亮度路径纠缠源并完成了量子密集编码，制备了偏振路径混合的高维纠缠源在自由空间内分配了8米。本项目拟提高纠缠光源的探测效率，关闭探测效率漏洞，完成多粒子高维量子态的制备。

量子信息是量子物理和信息科学的新型交叉学科。量子信息技术的一个重要目标就是构造量子网络。高维量子信息处理相对于二维量子信息过程有许多优势，所以成为近几年研究的热点。无探测漏洞的高维量子信息处理过程是高维量子网络的重要组成部分，本项目要解决的是其中的探测效率漏洞的问题，于此同时也解决了多粒子高维纠缠态的制备问题，为未来高维纠缠网络的构造奠定了基础。具体的，项目按照项目计划书逐条实现了既定的任务目标：1、实现了保真度为0.995，探测效率为71.7%的4维纠缠源。2、利用上述发展的高探测效率的高维纠缠源，实现了高维bell不等式的无探测效率漏洞探测。成功的将探测效率极限由66.6%降低到61.8%。为未来高维bell无漏洞探测和高维设备无关量子信息任务奠定了基础。3、成功制备脉冲的高维纠缠源，并利用这种纠缠源成功制备442多粒子高维纠缠态，保真度F=0.854，并且成功演示了高维分层量子通信协议。除了完成任务计划书的所有既定目标之外，项目还实现了额外的成果。项目还实现了高噪音抵抗能力的高维量子通信和长距离的量子纠缠纯化。其中高维量子通信展示出来其相对于二维量子通信更强的噪音鲁棒性，长距离的量子纠缠纯化实现了相对于之前纯化方案6000倍效率的提升。整体以上的工作为高维量子网络的构造提供了技术基础。