光子多自由度的耦合及应用研究

Photons play an important role in the field of quantum information, since most protocols of quantum information were demonstrated using photons. However, previous experiments mainly focused on single degree of freedom of photons, such as, polarization or orbital angular momentum, and cannot utilize all the information that photons contained. This project will focus on the coupling between deferent degrees of freedom (DOF) of photons, and contains the following three contents: 1) polarization-frequency coupling, and distills quantum entanglement from environment; 2) coupling between high-dimensional DOF and high-dimensional DOF, and realizes the complete determination of high-dimensional entanglement states; 3) coupling between high-dimensional DOF and two-dimensional DOF. This project will enhance the application of efficient optical quantum communication and stimulate the researching on the coupling between different systems.

光子体系在量子信息学中扮演着重要角色，大部分量子信息方案都是基于光子体系的。目前人们对光子体系的实验研究，主要是集中在单一自由度上，如光子偏振、角动量等，而无法充分利用光子携带的全部信息，造成量子资源的极大浪费。该项目拟在以前的研究基础上，开展光子多自由度之间的耦合及应用研究，针对光子不同自由度的特点，开展三方面的研究：1）研究二维偏振自由度-连续频率自由度的耦合，实现从环境中提取量子纠缠；2）研究高维-高维自由度耦合，实现高维纠缠态识别；3）研究高维-二维自由度耦合下的量子信息基本问题等。该项目的顺利实施，将为高效的光量子通信打下坚实基础，并促进光子与其他体系的相互作用方面的研究工作。

光子体系在量子信息学中扮演着重要角色，大部分量子信息方案都是基于光子体系的。目前人们对光子体系的实验研究，主要是集中在单一自由度上，如光子偏振、角动量等，而无法充分利用光子携带的全部信息，造成量子资源的极大浪费。该项目拟在以前的研究基础上，开展光子多自由度之间的耦合及应用研究，针对光子不同自由度的特点，开展三方面的研究：1）研究二维偏振自由度-连续频率自由度的耦合，实现从环境中提取量子纠缠；2）研究高维-高维自由度耦合，实现高维纠缠态识别；3）研究高维-二维自由度耦合下的量子信息基本问题等。该项目的顺利实施，将为高效的光量子通信打下坚实基础，并促进光子与其他体系的相互作用方面的研究工作。.在项目的支持下，我们从实验上验证了从环境中提取纠缠的可行性，得到了一定的量子纠缠，并进一步利用不同自由度之间（系统-环境）的耦合方式，实现了高效量子纠缠纯化、量子纠缠的转移等。通过引入辅助自由度，从理论上证明实现完全的高维贝尔态识别的可行性，并在实验上利用完全的贝尔态识别实现了测量设备无关的高维量子导引等。通过光子的路径与偏振自由度的复合使用，构造了量子纠缠催化的实现方法，并从实验上实现了量子相干、量子非对称性等的催化过程，相关工作已经完成，后续将整理成科研论文投稿。.在项目的开展过程中，随着研究的深入，我们将光子不同自由度耦合的方法应用到高维量子系统的研究，并用于高维量子信息过程的实验研究等，取得了一系列重要研究成果，发表多篇有影响力的学术论文。相关成果已发表学术论文24篇，其中Physical Review Letters 12篇，项目负责人获2020年国家自然科学奖二等奖等。