科学家正开发一种新方法，用于精确测量量子纠缠态的纯度和维度

2021-09-09 16:02

使光子纠缠于高维状态（high-dimensional states）的能力，可以提高量子通信的安全性和容量。但科学家们目前正努力用一种可靠而直接的方法，来测量纠缠态的纯度和维度。

现在，一个国际研究小组提出了一种被称为“简单、快速和直接”的技术来确定这些量，并在广泛的噪声水平上验证了上述方法。

纠缠（Entanglement）是一种独特的量子现象，它将两个粒子联系在一起，无论距离有多远，对其中一个粒子的测量都会立即确定另一个粒子的状态。这种系统的维数是指唯一可能结果的数量，这取决于用于进行纠缠的性质。例如，偏振将被限制在两个维度的纠缠，而结构光可以有更多的纠缠。

这些维数的测量由于噪声而变得复杂，噪声会降低量子信号，并减少有用维数的数量。迄今为止，克服这些有害影响已被证明是科学家们头痛的问题，他们已经发展了许多测量技术——每一种都有其优点和缺点。

举例来说，量子态断层摄影术可以逐点生成维度数的信息，就像医疗人员可能会使用计算机断层摄影术，通过组合一系列二维切片来创建人体的三维图像一样。但涉及的信息数量之多，使得这个过程极其耗时。一种更快的替代方法是进行贝尔状态测量。但是，尽管这些测量结果为粒子是否纠缠提供了一个明确的结论，但它们传递的关于维度的细节却很少。

在最近的工作中，威特沃特斯兰德大学的安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）领导的一个团队设计了一个新方案，可以同时获得系统维数和纯度的详细信息——尽管涉及的测量数量仅与这些量成线性关系。它通过记录在多个维度中纠缠的两个粒子之间干涉测量的“可见性”来做到这一点。

Forbes和他的同事用非线性晶体中产生的纠缠光子对演示了这个方案。他们让每个光子通过一个由空间光调制器创建的全息图，并用轨道角动量(OAM，指的是光束波前绕其传播方向扭曲的程度)对其进行编码。然后，他们将光子耦合到单模光纤中，并记录这些粒子是否同时到达一个重合计数器。

通过改变OAM叠加态并记录每组新态的重合概率，研究人员能够建立一系列的量子干涉条纹。每个边缘都有自己的可见度，这是一个衡量它有多清晰(或模糊)的标准——里面包含了大量信息。

福布斯和他的同事们认为，不管测试的量子态是什么，这个工具都应该能工作。为了证明这一点，他们进行了一项实验，在不同的噪音条件下，实验涉及的维度范围高达100个。他们还发现，无论量子数据是如何编码的，它都能工作，并使用位置和OAM的变化来证明它。

Forbes表示，他们并不是要取代竞争对手的技术，而是要补充它们，并解释说，为了获得关于量子态的所有信息，完全的断层扫描总是可以在之后进行。该小组的方案潜在的一个特别适合的一个应用是测量噪声及其对真实世界量子通信链路的纠缠维度的影响。