基于矢量光场的超纠缠量子比特制备及其应用研究

It is a great challenge in quantum information processing to efficiently enhance the entangled qubits. To date, the maximum number of entangled qubits was fourteen produced in the ion trap system. However, for the photonic qubits, entangled states of up to ten qubits by the hyper-entanglement of polarization and momentum using five photons have been created. In order to generate more entangled qubits, it is a good proposal to hyper-entangle other freedom of photon, such as orbital angular momentum. The project is focused on this proposal based on the vector fields with spatial inhomogeneous polarization distribution. It is an important nature for vector fields to simultaneously manipulate both the spin angular momentum and the orbital angular momentum of light. With the aid of this nature, the vector fields could be used to generate the hyper-entanglement of polarization and orbital angular momentum, which is very useful for the enlargement of the entangled qubits. The first aim of this project is to generate two-photon four qubits using the hyper-entanglement of polarization and orbital angular momentum. Another more freedom of momentum is hyper-entangled and two-photon six qubits will be created consequently. In the next step, more than two photons will be hyper-entangled between the three freedoms of polarization, momentum and orbital angular momentum, thus, three-photon nine qubits will be created. The final goal of this project is to generate five-photon fifteen hyper-entangled qubits. Another important subject for the project is the fundamental problems in quantum mechanics associated with this type of hyper-entanglement. The project will also make exploration on the application of the hyper-entangled qubits in the realms of quantum optics and quantum information.

如何进一步高效地扩展纠缠量子比特数目一直都是量子信息领域的一个严峻挑战，迄今为止，已制备的最多的纠缠量子比特是囚禁离子系统中的十四个量子比特；而对于光子而言，目前制备的最多的量子比特数目是十个，是在偏振和动量的超纠缠基础上实现的五光子十比特。为了进一步增加可控纠缠量子比特数，可借助于光子其他自由度的超纠缠，例如轨道角动量。本项目借助矢量光场同时调控光子自旋角动量和轨道角动量这一特性，研究光子偏振和轨道角动量的超纠缠物理规律，力求突破技术瓶颈，实验上实现偏振和轨道角动量超纠缠，旨在更进一步高效扩展纠缠量子比特数目。首先制备双光子四比特纠缠源；其次进一步引入光子动量纠缠，完成双光子三维超纠缠六比特纠缠源的制备；更进一步，纠缠更多的光子数，陆续实现三光子、四光子和五光子的三维超纠缠，最终制备十五比特纠缠源。研究与这类新型超纠缠源相关的一些基本量子力学问题，并探索其在量子光学和量子信息中的应用。

如何进一步高效地扩展纠缠量子比特数目一直都是量子信息领域的一个严峻挑战。对于光子而言，有两条途径可以增加可控量子比特数目：（1）纠缠更多光子(目前的最好水平是八光子纠缠)；（2）调控光子更多自由度，利用单个光子编码更多量子比特（目前的最好水平是五光子十比特）。本项目致力于研究后者所需要的技术：首先着眼于光子的轨道角动量这一自由度，重点发展了相应的量子调控技术，其次结合光子自旋和路径自由度的相干调控技术，最终实现了对光子自旋、路径和轨道角动量三个自由度的相干调控。特别是，利用高效轨道角动量量子调控技术，我们成功制备了高亮度轨道角动量纠缠源以及自旋和轨道角动量同时纠缠的高亮度超纠缠源；同时还发展了光子自旋和轨道角动量量子比特的受控操作技术，实现了光子信息在自旋和轨道角动量之间的确定性相互转换以及交换；同时借助于一对轨道角动量纠缠辅助光子对，巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案；在此基础上，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，成功实现了多自由度量子体系的隐形传态，该成果以封面标题的形式发表于《自然》杂志 [Nature，518, 516-519 (2015)，项目负责人是该成果第一作者]。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。该成果一经发表，便受到众多国内外科技媒体的广泛报道，2015年底，该成果被英国物理学会（Institute of Physics）新闻网站《物理世界》（Physics World）评为2015年度国际物理学领域的十项重大突破之榜首（“Breakthrough of the Year”），随后，该成果入选了由两院院士评选的2015年度中国十大科技进展新闻。