西安交大科研人员在噪声环境中的高维量子导引研究方面取得重要进展

量子纠缠特性是量子力学最显著的特征之一，为通信网络的发展带来了新的机遇，因此一直是量子信息领域的研究热点。然而，量子系统的纠缠特性很容易被环境的相互作用所削弱，从而导致信道容量降低和传输距离缩短。相比二维体系，高维量子纠缠最常被人们提及的优势之一就是具有更强的关联性，有望带来对噪声更强的鲁棒性，而在实验上展示出这种潜力是非常重要的。与此同时，量子导引是一类特殊的量子纠缠，描述了作用在纠缠粒子对中一个粒子上的局域测量能够非局域地影响另一个粒子状态的能力。由于具有天然的方向性和不对称性，量子导引被认为是单方设备无关量子信息处理的重要资源。量子导引的关联特性比量子纠缠更强，对噪声环境更加敏感，因此如何增强高维量子系统的噪声鲁棒性，实现在高噪声环境下提取高维量子导引特性，对于单方设备无关的量子信息处理具有重要意义，同时也存在极大的挑战性。

(a) 双光子高维导引实验装置图 (b) 对导引不等式的违反程度

(c) 不同维度的噪声阈值 (d) 不同测量设置的噪声阈值

近日，西安交通大学物理学院张沛教授研究组开展了噪声环境下的高维量子导引特性的实验研究。研究组实验制备了11维轨道角动量最大纠缠态和各向同性态，并利用完整相互无偏基进行投影测量。实验结果表明，与两测量设置对比，基于多测量设置的方法可以揭示更高的量子导引强度。而这也使得高维量子导引可以从更高噪声的环境中被提取出来。研究组在实验中证明了具有63.4%噪声比例的11维各向同性态的导引特性，并且在5维和7维的可容忍噪声阈值均超过了两测量设置判据最高容忍50%噪声的限制。研究组还进一步研究了测量设置数量与噪声鲁棒性之间的权衡关系，发现当不同基底的实际检测效率差异不大时，通过增加测量设置数量总是可以增强噪声鲁棒性。这项工作为实际单方设备无关的量子信息处理可容忍噪声环境、有损检测，并超越目前的传输距离限制提供了潜力。

6月16日，该研究成果于以《使用多测量设置从高噪声环境中提取高维量子导引特性》（Retrieving high-dimensional quantum steering from a noisy environment with N measurement settings）为题在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表。该论文第一作者为物理学院博士研究生瞿睿，通讯作者为物理学院张沛教授，物质非平衡合成与调控教育部重点实验室为本论文第一单位和唯一通讯单位。

该篇文章是张沛教授团队今年在高维量子导引研究方面取得的又一重要成果。4月份，团队发表在美国光学学会旗舰期刊《光学》（Optica）上的论文，提出了一种高鲁棒性和高准确性的量子导引维度判定方法，在单方设备无关情况下，对共享量子态的维度进行可靠而准确的认证提供了有效途径。

张沛教授团队长期围绕涡旋光的精准操控和精确检测开展深入研究，并将这些技术应用于高维量子信息，在相关理论方法发展和物理机理揭示等方面取得一系列原创性成果，近5年在PRL、Light: Science & Applications、Optica、npj Quantum information等物理学高水平期刊发表论文30余篇。

文章链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.240402

https://doi.org/10.1364/OPTICA.454597