纠缠本身不会纠缠光

混沌的光斑:光被诸多如多模光纤之类的复杂介质扰乱后而产生的图案

混沌的光斑:光被诸多如多模光纤之类的复杂介质扰乱后而产生的图案

通过无序(或“复杂”)介质(如大气雾气或多模光纤)的光会以已知方式散射。结果就是,光携带的信息虽然能够得以保留,但会失真。因此,需要额外的步骤来获取这些信息。当传输的是纠缠光时,这就变得十分棘手,因为介质会扰乱量子相关性。状态被“加扰”,要找回原来的纠缠态就必须得先“解扰”。

纠缠解救纠缠

为理解复杂介质,物理学家使用传输矩阵(即一个二维复数阵列),来预测任何物质通过介质后的结果。传输矩阵理论,再加上技术中的一些关键发展,直至最近才使得经典光可通过复杂介质传播。在这项研究中,爱丁堡的研究团队将传输矩阵的概念,拓展应用到了量子光学领域。

一种被称为“信道状态对偶性”的属性让研究人员得以仅使用一个量子纠缠态(一对属性相互关联的光子),作为探针来提取介质的完整传输矩阵。这与构建矩阵的经典方式不同。经典方式须让多个光探针穿过介质,来获得完整的矩阵。

当他们知道介质如何加扰信息后,赫瑞拉-巴伦西亚和她的同事们就可以使用相同的矩阵来消除介质的影响。在这里,纠缠又一次使出了巧妙花招:和解扰通过光纤的光不同,研究人员可以加扰其“纠缠孪子”,从而无需穿过介质就可以得到相同的结果。他们使用名叫“空间光调制器”(SLM)的设备对光进行加扰。该设备可以影响光场分布。

处理更高维度

与二维量子位相比,高维度纠缠态具有更大潜力,因为它们可以携带更多信息,对噪声也具有更强的鲁棒性。但是这些状态也更容易受到环境变化的影响。

该研究通过对空间中六维纠缠态保留的描述,解决了量子光学中的一个重大难题。“量子位纠缠已经拥有该技术,可以处理不受信道影响的自由度(如偏振化)。但是,当涉及到高维度纠缠态时,空间模式编码就存在很多问题,”马利克解释说。像波前畸变这样简单的东西也可能会扰乱信息。

为创建和测量高维度纠缠态,物理学家经常使用的一个概念叫做空间自由度。在这项研究中,研究小组以空间“像素”为基础。他们将连续的位置空间划分为离散的区域或像素。这样一来,如果在一个结构中的第一个像素内检测到光子,那么在另一个结构中的第一个像素内也应该能检测到这个光子的纠缠孪子。像素的数量决定了系统中可能发生的最大纠缠维度。像素基点在质量、速度和维度方面,表现都十分出色。更重要的是因为,空间光调制器可以实现精确且无损的控制。

对量子技术的影响

除了增加纠缠态的维度和解决长光纤中的色散等问题之外,该研究团队也在探索,如何将复杂信道等同于量子态的想法应用于简化携带大量信息量子态的测量。

研究团队还在他们的论文中提到,该技术甚至可以用于在生物组织等动态介质中传输高维度纠缠。纠缠光也可以通过两个独立的信道发送,控制其中任一一个信道都可以影响整个状态,当然也就会影响另一个信道。研究人员写道:“这种功能或许可以在量子网络场景下或非侵入性生物成像中发挥作用。因为在这些情况下,触达复杂系统的每一个部分可能不太现实。”(匀琳)

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