基于光学频率梳的可拓展量子网络构建及多模纠缠特性研究

Generation of scalable quantum networks is essential for quantum control and quantum information processing. Study on multimode entanglement in quantum networks is important for the realization of the complex quantum information processing, including quantum computation, quantum communication, quantum metrology, etc. We apply a top-down method, using optical parametric oscillation of an optical frequency comb, to generate a scalable multi-frequency quantum light resource that is also called a quantum frequency comb. Only by modulating the local oscillator via ultrafast pulse shaping, we realize arbitrary quantum entangled states within multi-frequency modes. Furthermore, we explore the new properties of versatile multimode entanglement in the quantum frequency comb, and analyze the relation in between multimode EPR steering and quantum networks structures among the specific spectral components. In this project the scalable quantum networks are constructed without changing the photonics architecture, which is different from traditional quantum system based on EPR-type entanglement and linear optics. The results of the project can be applied for multimode entanglement characterization, continuous variable quantum computing and quantum communication networks.

可拓展量子网络的建立是研究实现量子调控和量子信息过程的关键问题之一。研究量子网络中多模纠缠特性对于实现复杂量子信息过程，包括量子计算，量子通讯，量子精密测量等都具有重要意义。本项目采用自上而下的思路，利用光学频率梳的参量振荡发展一种具有拓展性的多频率模式光量子源，也称之为量子光学频率梳。通过对本地光进行脉冲整形，可将量子光学频率梳投影到任意维度的正交幅度相位空间上，从而实现任意多频率模式的量子网络。进一步探索量子光学频率梳中新奇的多模纠缠特性，通过调控测量过程揭示多组分量子纠缠导引与网络内部模式数量以及结构的具体规律。 本项目构建可拓展量子网络无需改变量子源本身，突破传统的两体纠缠系统和线性光学构建量子网络的局限，对于多模纠缠量度、连续变量量子计算以及量子通讯网络的构建具有重要的指导意义。

可拓展量子源是实现量子网络和量子计算的关键步骤。长期以来，对于复杂量子信息过程的实现，比如量子计算机，量子纠缠的可拓展性一直是国际难题。针对这一问题，本课题提出了自上而下构建量子纠缠的新思路，利用光学频率梳本身具有多频率的特性，通过一次非线性光学参量过程同步实现所有频率成分的下转换，以实现一种天生具有多频率纠缠的量子源，从而巧妙的解决了量子纠缠的可拓展性问题。 基于量子光学频梳的多模量子纠缠系统，并以此为核心工具开展了新型多模量子信息过程的系列研究，包括多参数量子精密测量、多组分量子导引及多模复用量子密钥分发的系列工作。首先，利用多像素探测重构量子光梳中多个不同光谱模式的压缩态，实现了对激光光谱中的多参数超越标准量子极限的测量。该工作申请人以第一作者发表在量子信息国际顶级期刊npj Quantum Information(npj Quantum Information，7, 82(2021))。第二，实验实现了一种可灵活操控和增加数量规模的连续变量多组分量子导引纠缠系统，在同一个实验系统中实现了4、8、16个模式65 534个量子导引态，从而实现了具有高度可拓展性的量子导引系统。该工作申请人以第一作者在国际一流学术期刊Phys. Rev. Research发表Rapid Communication论文(Phys. Rev. Research 2, 032046(R)(2020))。第三，开创建立确定性连续变量非高斯态模型，并利用正定矩阵的部分转置特性发展出一种新型非线性纠缠判据。相关工作申请人作为通讯作者发表在物理学国际顶级期刊Physical Review Letters(Phys. Rev. Lett. 127, 150502(2021)。本项目聚焦于光量子信息前沿，以可拓展多模量子纠缠的构建和操控为中心，创建了一种具有高度可拓展性的连续变量多模量子纠缠体系，并以此为核心对发展了一系列新型多模量子信息技术，为今后进一步发展和应用于多参数量子传感、量子计算等提供了重要的研究基础。