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天津大学科研团队在测量和制备时间模式复用量子纠缠态领域取得新进展

来源:更新时间:2020-06-03

  近期,天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室李小英教授团队在测量时间模式、制备时间复用量子纠缠态方面取得重要进展,相关研究成果发表于著名国际学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 124, 213603(2020))。

  模式复用是提升信息系统容量和性能的有效手段。以光纤通信为例,从上世纪90年代初期兴起的波分复用技术,到后来出现的偏振复用技术和近年来迅猛发展起来的空间模式复用技术,均极大地提升了通信系统的信息容量。在量子信息技术中,利用光子的多个模式和自由度携带信息也是增加容量和提升系统性能的重要手段。现阶段人们已经对光子的频率、偏振和空间等模式进行了广泛而深入的研究。其实,在描述光子的诸多维度中,脉冲光场的时间模式也构成一组正交基矢,只是长期以来因为可用传统的频率模式分析替代而一直未被重视。

  近年来,光子的时间模式开始引起广泛的关注。人们逐渐认识到时间模式分析与传统的频率模式分析不同,它是一组适用于描述脉冲系统的本征模,可用于构建量子信息科学的新框架,在量子计算、量子模拟和量子通信等量子信息处理任务中展现出诱人的应用前景。在这个新的信息分析和处理框架中,不同时间模式所对应频谱的精确描述,是该系统的解复用器件——选择和分离本征时间模式所必需的信息。此外,由于量子信息科学中的许多协议均基于量子干涉,量子信息处理任务能否完成和实现在很大程度上依赖于干涉中的模式匹配。只有准确表征量子态的模式,才能实现理想的模式匹配,使量子效应带来的性能提升最大化。然而,量子态光场的强度通常很微弱,其时间模式不能用传统的超快脉冲测量技术进行表征。因此,如何准确找出量子系统中各阶时间模式的轮廓和频谱,一直是这个新的信息处理框架中缺失的一环。

  图:(a)产生时间复用量子纠缠态图和(b)测量本征时间模式频谱图的原理示意图

  李小英教授团队找到了弥合这一环节的新方法。他们采用循环反馈注入参考光受激辐射场的方法,从脉冲光泵浦的光纤参量放大器中直接测得该系统的多阶时间本征模式,揭示了参量放大器输出场时间模式复用的量子纠缠特性,实验结果验证了两个输出场同阶时间模式之间的量子关联性和不同阶时间模式之间的独立性。这项成果的创新之处在于提出、并实验验证了可以通过反馈注入受激辐射,直接测量到脉冲系统的本征模式,为在量子信息中广泛利用时间模式打下了基础。该模式表征技术不仅局限于量子系统,也可以应用到经典系统中。

  该研究成果以“Direct Temporal Mode Measurement for the Characterization of Temporally Multiplexed High Dimensional Quantum Entanglement in Continuous Variables”为题,于2020年5月27日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters 124, 213603(2020))上。论文第一作者为精密仪器与光电子工程学院2016级博士研究生霍楠,通讯作者为李小英教授和合作单位(Indiana University-Purdue University Indianapolis)的区泽宇教授。

论文链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.213603

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