山西大学在携带轨道角动量的混合纠缠方面取得重要进展

近日，山西大学光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室苏晓龙教授研究组和王海教授研究组合作，将轨道角动量自由度引入连续变量与离散变量混合纠缠，实现了携带轨道角动量混合纠缠态的制备。相关研究成果“Hybrid entanglement carrying orbital angular momentum”于3月23日发表于Science Bulletin 70, 876 (2025)。

光量子信息领域形成了连续变量和离散变量量子信息并行发展的两条途径，均取得了重要进展。然而，连续变量和离散变量量子信息均面临各自固有的限制。连续变量光量子信息处理的优点是纠缠态制备是确定性的，但纠缠度有限，且对损耗敏感，因此连续变量量子信息处理的保真度随着损耗的增加而降低。离散变量光量子信息处理的优势在于可以实现最大纠缠，但离散变量光量子纠缠态的制备是概率性的。为了突破它们各自的限制，国际上提出了结合连续变量和离散变量的混合量子信息处理。混合纠缠是实现混合量子信息处理的一种重要量子资源。拓展纠缠态的自由度对于提升纠缠态携带信息的能力具有重要意义。光场的轨道角动量自由度在量子通信和量子精密测量方面具有潜在的应用价值，近年来备受关注。通过将轨道角动量自由度引入到混合纠缠态中，能够增加混合纠缠态携带信息的能力，进一步提高量子通信的信道容量。

图1. 携带轨道角动量混合纠缠的实验原理和结果

研究团队将轨道角动量自由度引入混合纠缠，实现了携带轨道角动量混合纠缠态的制备，实验原理如左图所示。团队首先实验制备了连续变量光学薛定谔猫态编码和离散变量光子偏振编码的混合纠缠；随后利用涡旋波片将混合纠缠态的高斯波前转换为涡旋波前，成功将轨道角动量引入混合纠缠态。通过测量轨道角动量的拓扑荷数和混合纠缠态的Wigner函数，并计算对数负性，验证了携带轨道角动量混合纠缠态的成功制备。

该工作实验制备了涉及猫态、光子偏振和轨道角动量三个自由度的混合纠缠，证明了在混合纠缠中引入轨道角动量自由度的可行性。研究成果为混合量子信息处理提供了新的量子资源，向实现多自由度的混合量子信息处理迈出了关键的一步，在提高异构量子网络中量子通信的信息容量方面具有潜在的应用价值。

该论文第一作者为山西大学许凤怡博士生和王美红副教授，通讯作者为山西大学苏晓龙教授和李淑静教授。该工作得到国家自然科学基金、山西省基础研究计划项目、和山西省“1331项目”工程重点学科建设基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.003