近日，南開大學物理科學學院李勇男教授研究組與南京大學王慧田教授合作，針對光子高維軌道角動量表征難題，提出了利用二維探測器實現(xiàn)快速非掃描的量子態(tài)層析方法。

高維糾纏不僅能夠?qū)崿F(xiàn)比二維情況更多的比特編碼，以增加量子信道上的通信容量，而且能夠改善對噪聲的魯棒性。作為光子的一個新內(nèi)稟自由度，軌道角動量(OAM)理論上具有無限維度，為解決光通信系統(tǒng)容量瓶頸問題提供了一條有效途徑。

2001年，物理學諾貝爾獎得主安東·塞林格教授等首次提出利用光子OAM實現(xiàn)了高維量子糾纏，其不僅可以大幅度增加光子的信息攜帶量，還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩�性，而受到了廣泛關(guān)注。

然而，在光子OAM的實際應(yīng)用中，其挑戰(zhàn)之一是發(fā)展高效的高維OAM糾纏態(tài)表征方法。傳統(tǒng)的全量子態(tài)層析是獲取量子態(tài)所有信息的標準技術(shù)，但其在高維系統(tǒng)中變得不切實際，因其所需的測量次數(shù)隨維度呈指數(shù)增長。因此，非常期待能夠找到有效的方法，以盡可能少的測量來表征高維糾纏態(tài)，而不引入不必要的假設(shè)。

此次研究成果核心思想是用二維陣列探測器取代傳統(tǒng)的單像素探測器，基于干涉原理并結(jié)合傅里葉變換，從二維量子符合計數(shù)中解調(diào)出高維量子信息。該方法的特點是非掃描且與維度無關(guān)，對于任意維雙光子OAM糾纏態(tài)，僅需兩次測量即可實現(xiàn)高保真度的密度矩陣重構(gòu)。該思想還可以拓展到其它空間模式糾纏、多光子糾纏及混合態(tài)糾纏等，為實現(xiàn)大容量量子通信和量子過程層析奠定了基礎(chǔ)。未來與機器學習結(jié)合，將會為復雜情況下，如大氣和光纖中的高維光量子信息應(yīng)用提供更多有趣且高效的測量思路。