光的量子传送

长距离的量子通信是信息安全的组成部分，这一点已经在自由空间和具有二维状态的光纤中得到证明，卫星之间的最近距离超过1200公里。但是只采用两个状态减少了光子的信息容量，因此连接时安全的，但是传输速度很慢。为了使其安全和快速，使用更高维度的字母表，例如使用无限数量的光模式。一种这样的模式是光的轨道角动量（OAM）。通过使用OAM作为信息的载体可以提高比特率。然而，这种光子状态在长距离传输时会衰减，例如，由于光纤中的模式耦合或自由空间中的湍流，因此需要一个办法来放大信号。不幸的是，在量子世界中不允许这种“放大”，但是有可能创建类似于经典光网络中的光纤中继器的量子中继器。

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量子中继器的核心元素是玻璃立方体。我们把两个独立的光子放在里面，只要我们可以检测出两个光子射出，另一方面我们知道我们可以执行纠缠交换。图片来源：金山大学

量子中继器的一个必不可少的部分是能够使两个毫无关系的光子纠缠-称为“纠缠交换”的过程。这是通过干扰来自独立纠缠对的两个光子来实现的，导致两个光子变得纠缠。这允许在两个远距离点之间建立纠缠，而不需要一个光子行进整个距离到达另一个光子那里，如此减少衰减和损耗的影响。这也意味着你在两地之间没有视距。

其结果是，一个光子的信息可以转移给另一个光子，一个称为传送的过程。这是一个很好的开始，这像是一个科幻小说系列，星际迷航，在小说里人们从一个地方被传送到另一个地方，信息被从一个地方传送至另一个地方。如果两个光子相互纠缠，并且在其中一个更改了一个值，那么另一个光子也会自动更改。即使这两个光子没有连接，实际上，它们在两个完全不同的地方。

在这项最新的工作中，团队展示了轨道动量（OAM）状态的纠缠和传送的第一个实验演示。他们表明可以在独立光子之间建立量子相关性，并且这可以用于通过虚拟链路发送信息。重要的是，该方案可扩展到更高的维度，为高信息量的长距离量子通信铺路。

背景

目前的通信系统非常快，但不是根本安全的。为了使他们安全，研究人员利用自然规律开发量子世界的离奇性质来编码。一个这样的性质是纠缠。当两个粒子相互纠缠时，它们以未知的方式连接起来：测量其中一个，另一个粒子的状态立即改变，无论它们有多远。纠缠是实现量子网络所需的核心资源之一。

长距离的安全量子通信链路是非常具有挑战性的：短距离内使用光模式的量子链路衰减严重，因为在光子不受保护的情况下没有办法保护链路免受噪声干扰。为了克服这个问题，可以在中间距离设置一个中继站-这样可以在更长的距离上共享信息，而不需要信息在物理上流过该链路。核心部分是使得独立的光子变得纠缠。尽管这是二维预先演示，在这项研究中，在这项研究中该团队首次用OAM且在高维空间中演示。

（原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/09/170921121147.htm，实验帮译。）

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