华东师大实现全光量子纠缠交换

  近期，华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室荆杰泰教授课题组在量子信息研究领域取得重要进展，实现了全光量子纠缠交换协议。量子信息科学包括量子精密测量、量子通信以及量子计算三大领域，其旨在利用量子资源，实现高安全性、高保真度以及高容量信息处理方式。与量子隐形传态和量子密集编码协议一样，量子纠缠交换协议也是量子信息科学中最重要的协议之一。由于利用量子纠缠交换协议可以使得两个没有直接相互作用的粒子发生纠缠，其被认为是实现量子中继构建量子网络的核心单元。

  《物理评论快报》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)）刊登荆杰泰教授课题组研究成果

  量子纠缠交换协议自1993年首次在理论上提出以来，受到了量子信息领域的持续关注，在分离变量和连续变量领域均取得了重要研究进展。在连续变量领域，实现量子纠缠交换需要采用基于光电和电光转换的贝尔态测量，这极大限制了量子纠缠交换在构建宽带量子网络中的应用。为了解决这一问题，荆杰泰教授课题组提出并实验实现了一种无测量的全光量子纠缠交换协议。在该协议中，基于四波混频过程的低噪声光学参量放大器通过对输入态的高增益放大，避免了使用光电和电光转换，从而无测量地实现了传统方案中贝尔态测量的功能。该工作为实现量子纠缠交换提供了一种全光学模式，并为构建无测量的全光宽带量子网络奠定了基础。

  全光量子纠缠交换协议示意图

  在实验中，首先通过搭建两套四波混频过程来产生两组相互独立的高纠缠度双光束量子纠缠源（EPR1和EPR2）。Alice和Bob分别拥有两组独立双光束量子纠缠中的一束。之后，将两组独立双光束纠缠中剩下的两束光通过4F成像系统传给第三方Claire。Claire通过一个基于四波混频过程的高增益低噪声光学参量放大器对两束光的量子信息进行全光学提取，并利用一个全光通道把提取到的量子信息传输给Bob。最后，Bob利用线性光学分束器将接收到的量子信息传递到其所拥有的光束上，从而完成全光量子纠缠交换。

  全光量子纠缠交换协议完成之后，两个最初独立的光场在没有直接相互作用的情况下就具有了量子纠缠特性。如下图所示，Alice和Bob拥有的两个最初独立的光场在全光量子纠缠交换协议完成之后，其正交振幅分量的量子关联为0.43±0.06 dB，而正交相位分量的量子关联为0.42±0.05 dB，展示出了显著的量子纠缠特性。

  全光量子纠缠交换实验结果

  为了在实验上展示全光量子纠缠交换的宽带宽特性，课题组还详细测量了全光量子纠缠交换协议的带宽，实验结果表明在一定带宽范围之内均可以实现量子纠缠交换协议，成功突破了传统方案的单边带运转限制。此外，还测量了系统全光通道的抗损耗特性，实验结果表明在高达70%损耗的情况下，系统仍能完成量子纠缠交换。

  这项研究成果以 All-Optical Entanglement Swapping 为题发表于国际物理学重要学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters 128, 060503 (2022)），华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一完成单位，课题组刘胜帅研究员为第一作者，荆杰泰教授为论文的通讯作者。 荆杰泰教授课题组长期聚焦于量子光源构建及其在量子信息科学中的应用研究。目前课题组已经构建了多种新型量子光源（PRL 123, 070506 (2019)、PRL 123, 113602 (2019)）、PRL 124, 083605 (2020)、PRL 124, 090501 (2020)、PRL 125, 140501 (2020)），并应用于实现量子信息协议，包括光学轨道角动量复用的全光量子隐形传态（Nature Communications 11, 3875 (2020)）、光学轨道角动量复用的量子密集编码（PRL 127, 093601 (2021)）、全光量子克隆机（PRL 126, 060503 (2021)）以及全光多功能量子态转化机（PRL 126, 210507 (2021)）。截至目前，荆杰泰教授指导的研究生先后共有12人次获得“研究生国家奖学金”，6人次获得“上海市优秀毕业生”以及3人次获得中国光学学会“王大珩高校学生光学奖”。

  相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060503