光纤网络中具有扭曲光的多维量子通信

两个光子纠缠在一起，一个在偏振态，另一个在轨道角动量上-扭曲光。通过使偏振光子穿过光纤并使扭曲的光保持在空气中，即使在单模光纤上，多维纠缠传输也是可能的。

南非约翰内斯堡的威特沃特斯兰德大学和中国武汉的华章科技大学进行的新研究对跨光纤网络的安全数据传输具有令人兴奋的意义。该团队已经证明，扭曲光的多个量子模式可以通过一条传统的光纤链路传输，这反常地仅支持一种模式。这意味着利用纠缠的量子光的多个维度来实现未来量子网络的新方法。

今天，《科学进展》由Wits大学物理学院的安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授带领的团队与华中科技大学的王健教授领导的团队在线发表了这项研究。在他们的标题为：研究人员展示了通过单模光纤的多维纠缠传输，它为实现未来的量子网络提供了新的范例。研究小组表明，在传统光纤的通信链路之后，可以访问多种模式的光，这自相矛盾地只能支持单个模式。该团队通过在光，偏振和图案两个自由度上进行工程纠缠来实现此量子技巧，将偏振光子沿光纤向下传递，并通过另一个光子访问许多图案。

机智博士学生艾萨克·纳佩（Isaac Nape）-两位主要博士学位之一。该项目的学生—安排量子纠缠实验。

福布斯说：“本质上，这项研究引入了在具有多维纠缠态的传统光纤网络之间进行通信的概念，将现有的量子通信与偏振光子的优势以及利用光模式进行的高维通信的优势结合在一起。”

一个新的转折，一个新的范例

当前的通信系统非常快，但是从根本上来说并不是安全的。为了使他们安全，研究人员通过利用量子世界的古怪性质来利用自然法则进行编码，例如在使用量子密钥分发（QKD）进行安全通信的情况下。

吕军，两位首席博士之一。学生在Wits实验室进行。

这里的“量子”是指在爱因斯坦如此讨厌的距离上的怪异行为：量子纠缠。在过去的几十年中，对于各种量子信息协议，量子纠缠已得到了广泛的探索，尤其是通过QKD使通信更加安全。使用所谓的“量子位”（2D量子态），信息容量受到限制，但是通过使用偏振作为编码的自由度，可以很容易地在光纤链路上获得这种状态。光的空间模式及其模式是另一个自由度，它具有高维编码的优势。有许多模式可以使用，但是不幸的是，这需要定制的光纤电缆，因此不适用于现有网络。在目前的工作中，研究小组找到了一种新的方法来平衡这两个极端，方法是将极化量子比特与高维空间模式相结合，以创建多维混合量子态。

福布斯说：“诀窍是使一个光子极化，而使另一个光子扭转，从而形成被两个自由度纠缠的“螺旋光”。“由于偏振纠缠光子只有一种模式，它可以沿着长距离单模光纤（SMF）传输，而扭曲光子可以在没有光纤的情况下进行测量，从而在自由空间中获得多维扭曲模式。这些扭曲携带着轨道角动量（OAM），这是编码信息的有希望的候选者。”

克服当前的挑战

具有高维空间模式（例如OAM模式）的量子通信是有前途的，但只有在专门设计的多模光纤中才有可能，但是，它受到模式（模式）耦合噪声的极大限制。单模光纤没有这种“图案耦合”（会降低缠结），但只能用于二维偏振缠结。

“已发表论文的新颖之处在于证明了传统单模光纤中的多维纠缠传输。光以两个自由度扭曲：偏振被扭曲以形成螺旋光，图案也是如此。这被称为自旋轨道耦合，在这里用于量子通信。”福布斯说。“每个传输仍然只是一个量子比特（2D），但是由于无限数量的扭曲模式，我们可以纠缠在另一个光子中，因此传输数量是无限的。”

该团队演示了在250 m的单模光纤上多维纠缠态的转移，表明可以实现无限多个二维子空间。每个子空间可用于发送信息或将信息复用到多个接收器。

“这种新方法的结果是可以访问整个高维OAM希尔伯特空间，但一次只能访问两个维度。从某种意义上讲，这是简单的2D方法和真正的高维方法之间的折衷。”福布斯说。重要的是，高维状态不适合通过常规光纤网络进行传输，而这种新方法允许使用传统网络。

参考：刘俊，艾萨克·纳佩，王a科，亚当·瓦勒斯，王健和安德鲁·福布斯撰写的“通过单模光纤的多维纠缠传输”，《科学进展》，2020年1月24日。
10.1126 / sciadv.aay0837

抽象的：

全球量子网络需要长距离分布纠缠态，利用极化已经证明了巨大的进步，在自由空间中达到约1200 km，在光纤中达到100 km。虽然具有更高维度的希尔伯特空间（例如光的空间模式）允许每个光子具有更高的信息容量，但是这种空间模式的纠缠传输需要定制的多模光纤，并且受到退相干引起的模式耦合的限制。在这里，我们通过沿传统的单模光纤（SMF）传输多维纠缠态来避免这种情况。我们通过纠缠双光子对的自旋轨道自由度，将极化（自旋）光子向下传递到SMF上，同时彼此访问多个轨道角动量（轨道）子空间，从而实现多维纠缠传输，从而实现了这一目标。 。我们在多个2 2维度上显示了250 m SMF的高保真混合纠缠保留，×我们通过量子状态层析成像，贝尔违反措施和新颖的量子擦除器方案确认了这一点。这项工作为空间模式纠缠传输提供了另一种方法，该方法有助于在传统网络中通过传统光纤进行部署。