山西大學在遠程制備和操控光學貓態(tài)方面取得重要進展
近期，山西大學光電研究所蘇曉龍教授研究組和北京大學物理學院何瓊毅教授研究組合作，基于高斯糾纏態(tài)實現(xiàn)了光學貓態(tài)的遠程制備和操控。該成果以“Remote Preparation of Optical Cat States Based on Gaussian Entanglement”為題在線發(fā)表于Laser & Photonics Reviews 2300103 (2023)。 Jj :Bi&C
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遠程態(tài)制備是量子通信的一種重要方式。和量子態(tài)的直接傳輸相比，遠程態(tài)制備具有更高的安全性、能夠實現(xiàn)量子態(tài)的遠程操控等優(yōu)點；和量子隱形傳輸相比，它具有消耗更少的經(jīng)典信息、不需要貝爾態(tài)測量、能夠遠程操控量子態(tài)等優(yōu)點。光學貓態(tài)作為一種重要的量子資源，在探索經(jīng)典與量子的邊界、量子計算和量子精密測量等領域具有重要應用。高斯糾纏態(tài)具有確定性產(chǎn)生、可拓展性強等優(yōu)勢，是連續(xù)變量量子信息處理的重要量子資源。開展基于高斯糾纏態(tài)遠程制備和操控光學貓態(tài)的研究對于推動量子通信的發(fā)展具有重要意義。 ] C&AU[U*
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圖1.遠程制備和操控光學貓態(tài)的原理示意圖 U^@8eb v
如圖1所示，通過將雙模壓縮態(tài)的兩個模式分別經(jīng)過損耗信道分發(fā)給Alice和Bob。Alice對其擁有的模式進行減光子操作和平衡零拍投影測量操作，在Bob端遠程制備了光學貓態(tài)。當Alice平衡零拍投影測量為p=0時，在Bob端制備正交振幅疊加方向的奇貓態(tài)，當Alice平衡零拍投影測量為x=0時，在Bob端制備正交位相疊加方向的奇貓態(tài)。因此，通過選擇平衡零拍投影測量的角度，能夠實現(xiàn)光學貓態(tài)疊加方向的遠程操控。該方法結合了連續(xù)變量量子資源和離散變量光子探測技術，是一種典型的混合量子信息處理技術。 z/Kjz$l!
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圖2.遠程制備的正交振幅方向疊加光學貓態(tài)和正交位相方向疊加的貓態(tài)Wigner函數(shù)隨Bob端傳輸效率的變化 A{QXzoWkg0
在不同Bob端傳輸效率時，實驗遠程制備了不同尺度的光學貓態(tài)。可以看出貓態(tài)Wigner函數(shù)的負值隨著傳輸效率的降低而減小，當傳輸效率很低時貓態(tài)的保真度將低于0.5。而當Alice端的模式被遠程傳輸時，Bob端制備的貓態(tài)的保真度始終大于0.5，即Bob端遠程制備的貓態(tài)對Alice端損耗的魯棒性更高。此外，通過在Alice端減去更多的光子并對剩余模式進行平衡零拍投影測量，理論上證明了該方法可以遠程制備高保真度的尺度大于2的光學貓態(tài)。該工作展示了一種遠程制備和操控光學貓態(tài)的新方法，為基于光學貓態(tài)實現(xiàn)遠程量子信息處理奠定了基礎。 M;$LB@h
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論文的第一作者為山西大學光電研究所韓冬梅博士和北京大學物理學院孫風瀟博士，山西大學光電研究所蘇曉龍教授和北京大學物理學院何瓊毅教授為論文的共同通訊作者。 l"ZfgJ}W
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該項目獲得了國家自然科學基金、山西省“1311”工程重點學科建設基金、北京市自然科學基金、中國博士后科學基金的支持。
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