中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在高維量子通信研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度32維量子糾纏態(tài)。該成果8月28日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。相比二維系統(tǒng)，高維量子糾纏態(tài)在信道容量上有著巨大的優(yōu)勢。然而要展示這一優(yōu)勢，必須要實(shí)現(xiàn)高保真度高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量。此前在光學(xué)系統(tǒng)中人們廣泛采用光子的軌道角動量、時間或頻率自由度進(jìn)行編碼，但還沒有一個系統(tǒng)能夠同時很好的解決高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量的困難。

李傳鋒、柳必恒等人另辟蹊徑，于2016年開始采用光子的路徑自由度進(jìn)行編碼，并取得一系列成果，包括解決路徑比特的相干性問題[Phys. Rev. Lett. 117, 220402, (2016)]，制備出高保真度的三維糾纏態(tài)[Phys. Rev. Lett. 117, 170403, 2016]，演示超越二維信道容量極限的量子密集編碼[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]，最近則采用商用多芯光纖解決高維糾纏的傳輸問題，實(shí)現(xiàn)了四維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]。

然而隨著維度數(shù)的增加，量子系統(tǒng)的復(fù)雜度及操控與測量難度都指數(shù)增加。為了解決維度擴(kuò)展問題，研究組在實(shí)驗(yàn)上設(shè)計出緊湊的光學(xué)分束器來實(shí)現(xiàn)光學(xué)分束與合束，并采用空間光調(diào)制器精確地對每一束光進(jìn)行強(qiáng)度和相位調(diào)制。研究組還與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，理論上給出了一種高效的高維糾纏態(tài)的認(rèn)證方法。對一個32維糾纏態(tài)而言，完整的量子態(tài)層析技術(shù)需要進(jìn)行一百萬次測量（32^4）才能確定量子態(tài)的信息，而該方法只需要一千次測量即可完成。最終研究組在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)，并測定其保真度為0.933。32維的高維糾纏態(tài)維度數(shù)創(chuàng)造了當(dāng)前世界最高水平。

本成果為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各種高維量子信息過程和研究高維系統(tǒng)的量子物理基本問題打下重要基礎(chǔ)。

文章共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員胡曉敏博士和博士研究生邢文博。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.090503