双光子OAM态：揭示经典光源的非经典关联

撰稿 | 陈理想（厦门大学）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

量子隐形传态是量子信息网络的核心协议之一，它传输的不再是经典信息而是利用量子态编码的量子信息。量子隐形传态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”，不需要任何载体的携带，也可实现一个未知的量子态从一个地方瞬间传输到另外一个地方。但是，它需要量子纠缠态作为预先的量子信道。

1993年，IBM公司6位科学家率先提出了量子隐形传态的理论设想。

1997年，奥地利维也纳大学科学家利用光子偏振纠缠态首次完成了量子隐形传态的第一个实验。

2017年，中国科学技术大学潘建伟院士团队报道，量子科学实验卫星“墨子号”实现了从地面到卫星的量子隐形传态，成功将该技术拓展到太空尺度。

同样地基于量子纠缠，1995 年美国马里兰大学科学家实验演示了量子关联成像，该成像方式最吸引人的地方是“离物成像”，即用来成像的那束光本身并不需要照射到目标物体，所以又称为“鬼成像”。但是，科学家很快发现利用经典光源如赝热光源也可以通过强度的涨落关联来实现“鬼成像”。

这种相似性，在基础理论方面引发了一场激烈的学术争议：“鬼成像”的根源究竟是属于经典物理还是量子物理的范畴？

美国麻省理工学院Shapiro教授利用高斯态光模型理论也致力于对量子成像原理进行统一的解释。但目前尚未有工作从纠缠vs非纠缠以及经典关联vs非经典关联的视角对该问题进行深入地探究。因此，如何描述经典热光源的双光子态及其本身是否具有内秉的量子关联特性，是准确厘清该学术争议的关键！

最近，厦门大学物理科学与技术学院物理学系陈理想教授在光子轨道角动量的希尔伯特空间，理论构建了一个新的密度矩阵用来描述经典热光源的双光子态，从而利用量子失协的度量明确揭示了该经典热光源所具有的量子关联特性，并展示了热光源的双光子轨道角动量态可结合量子隐形传态协议来实现一幅光学图像的传输。该工作为促进经典光源在量子信息技术中的潜在应用提供了新视角和新思路。

该研究成果以 Quantum discord of thermal two-photon orbital angular momentum state: mimicking teleportation to transmit an image 为题在线发表在 Light: Science & Applications。

针对上述所提到的学术争议，陈理想教授利用轨道角动量本征态的高维性、正交性及完备性，构建了热光源中双光子轨道角动量态的密度矩阵，可表示成一个最大化混态（即单位矩阵）和一个纠缠纯态（即高维轨道角动量纠缠态）的非相干叠加，从而描绘了“关联”结构的清晰图像。

陈理想还借助纠缠“鲁棒性”的概念，严格证明了该双光子OAM态的可分离性。也就是，由于最大化混态的作用，导致纠缠纯态所包含的“纠缠关联”被完全“稀释”变成了可分离态，即零纠缠。或者从相干性的角度理解，纠缠纯态是双光子的高维OAM相干态，但在最大化混态的作用下，被完全“退相干”了。

量子关联通常指的就是量子纠缠。但是在2001年，Ollivier等人就敏锐地认识到有些关联虽然不属于量子纠缠，但也具有“非经典”的量子关联特性，他们还引入“量子失协”的概念作为经典关联与量子关联分界线的判据。即使热光源的双光子OAM态是“零纠缠”的，这里，陈理想教授借助“量子失协”的几何度量，在数学上给出了该双光子OAM态所对应几何失协量的解析表达式，从而定量揭示并刻画了其中所隐含的量子关联特性。

该工作还进一步研究了热光源双光子OAM态在量子隐形传态协议中的潜在应用。

因为OAM本征态构成了一组正交、完备基矢，所以可以用来编码一幅光学图像。在传统的量子隐形传态协议中，往往传输的只是量子比特的信息。这里，将高维的双光子OAM态与量子隐形传态协议结合，在原理上不但可实现单光子高维OAM态的隐形传送，还可实现一幅二维光学图像的远程传输。

以振幅和相位同时调制的三叶草图像为例，该工作理论模拟了量子隐形传输的可能结果。具体的理论方案及工作原理是这样的：将热光源的光场利用分束器分成两路，形成了双光子OAM态，其中一路的光子再与第三个光子（编码了所需传送的高维OAM态或图像的复振幅函数）同时输入到一个高维Bell态测量(BSM)平台，而另外一路的光子传导到一个工作在触发模式的ICCD微光相机。根据高维BSM测量结果，如果对到达ICCD相机的光子施加了一个相应的幺正变换，那么经过多次重复该协议，ICCD最终可以记录并获得三叶草的图像，虽然这个过程总是伴随着一个背景白噪声。而如果没有幺正变换，ICCD只能记录到一个错误的图像。其实很好理解，因为双光子态中包含了高维OAM纠缠纯态，恰好提供了所需的量子信道用于三叶草图像的正确传输，而双光子态中的最大化混态仅仅是在传输信道中引入了一个简单的背景白噪声而已。

利用热光源模拟隐形传态传输高维量子态或光学图像

在基础物理方面，该热光源双光子OAM态密度矩阵的构建，不仅为厘清“鬼成像”的根源究竟是属于经典物理还是量子物理的范畴这一学术争议提供了一个新视角，同时在应用物理方面，该工作为发展新型的量子图像传输技术提供了一种新思路。

由于双光子OAM态所固含的高维OAM纠缠纯态，我们期待热光源在量子光学与量子信息领域，如量子密钥分发、量子密集编码、新型量子成像等方面，都可能具有更为广阔的潜在应用。但跟标准的量子隐形传态协议，未来该方案的实验实现所面临的技术难题也是在于如何实现所有高维Bell态的高效测量。

论文信息

Chen, L. Quantum discord of thermal two-photon orbital angular momentum state: mimicking teleportation to transmit an image. Light Sci Appl 10, 148 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00585-8

本文作者为厦门大学物理科学与技术学院物理学系和福建省半导体光电材料及其高效转换器件2011协同创新中心的陈理想教授。

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00585-8

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编辑 | 赵阳

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