撰稿 | 陳理想（廈門大學）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

量子隱形傳態是量子信息網絡的核心協議之一，它傳輸的不再是經典信息而是利用量子態編碼的量子信息。量子隱形傳態如同科幻小說中描繪的“超時空穿越”，不需要任何載體的攜帶，也可實現一個未知的量子態從一個地方瞬間傳輸到另外一個地方。但是，它需要量子糾纏態作為預先的量子信道。

1993年，IBM公司6位科學家率先提出了量子隱形傳態的理論設想。

1997年，奧地利維也納大學科學家利用光子偏振糾纏態首次完成了量子隱形傳態的第一個實驗。

2017年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊報道，量子科學實驗衛星“墨子號”實現了從地面到衛星的量子隱形傳態，成功將該技術拓展到太空尺度。

同樣地基于量子糾纏，1995 年美國馬里蘭大學科學家實驗演示了量子關聯成像，該成像方式最吸引人的地方是“離物成像”，即用來成像的那束光本身并不需要照射到目標物體，所以又稱為“鬼成像”。但是，科學家很快發現利用經典光源如贗熱光源也可以通過強度的漲落關聯來實現“鬼成像”。

這種相似性，在基礎理論方面引發了一場激烈的學術爭議：“鬼成像”的根源究竟是屬于經典物理還是量子物理的范疇？

美國麻省理工學院Shapiro教授利用高斯態光模型理論也致力于對量子成像原理進行統一的解釋。但目前尚未有工作從糾纏vs非糾纏以及經典關聯vs非經典關聯的視角對該問題進行深入地探究。因此，如何描述經典熱光源的雙光子態及其本身是否具有內秉的量子關聯特性，是準確厘清該學術爭議的關鍵！

最近，廈門大學物理科學與技術學院物理學系陳理想教授在光子軌道角動量的希爾伯特空間，理論構建了一個新的密度矩陣用來描述經典熱光源的雙光子態，從而利用量子失協的度量明確揭示了該經典熱光源所具有的量子關聯特性，并展示了熱光源的雙光子軌道角動量態可結合量子隱形傳態協議來實現一幅光學圖像的傳輸。該工作為促進經典光源在量子信息技術中的潛在應用提供了新視角和新思路。

該研究成果以 Quantum discord of thermal two-photon orbital angular momentum state: mimicking teleportation to transmit an image 為題在線發表在 Light: Science & Applications。

針對上述所提到的學術爭議，陳理想教授利用軌道角動量本征態的高維性、正交性及完備性，構建了熱光源中雙光子軌道角動量態的密度矩陣，可表示成一個最大化混態（即單位矩陣）和一個糾纏純態（即高維軌道角動量糾纏態）的非相干疊加，從而描繪了“關聯”結構的清晰圖像。

陳理想還借助糾纏“魯棒性”的概念，嚴格證明了該雙光子OAM態的可分離性。也就是，由于最大化混態的作用，導致糾纏純態所包含的“糾纏關聯”被完全“稀釋”變成了可分離態，即零糾纏。或者從相干性的角度理解，糾纏純態是雙光子的高維OAM相干態，但在最大化混態的作用下，被完全“退相干”了。

量子關聯通常指的就是量子糾纏。但是在2001年，Ollivier等人就敏銳地認識到有些關聯雖然不屬于量子糾纏，但也具有“非經典”的量子關聯特性，他們還引入“量子失協”的概念作為經典關聯與量子關聯分界線的判據。即使熱光源的雙光子OAM態是“零糾纏”的，這里，陳理想教授借助“量子失協”的幾何度量，在數學上給出了該雙光子OAM態所對應幾何失協量的解析表達式，從而定量揭示并刻畫了其中所隱含的量子關聯特性。

該工作還進一步研究了熱光源雙光子OAM態在量子隱形傳態協議中的潛在應用。

因為OAM本征態構成了一組正交、完備基矢，所以可以用來編碼一幅光學圖像。在傳統的量子隱形傳態協議中，往往傳輸的只是量子比特的信息。這里，將高維的雙光子OAM態與量子隱形傳態協議結合，在原理上不但可實現單光子高維OAM態的隱形傳送，還可實現一幅二維光學圖像的遠程傳輸。

以振幅和相位同時調制的三葉草圖像為例，該工作理論模擬了量子隱形傳輸的可能結果。具體的理論方案及工作原理是這樣的：將熱光源的光場利用分束器分成兩路，形成了雙光子OAM態，其中一路的光子再與第三個光子（編碼了所需傳送的高維OAM態或圖像的復振幅函數）同時輸入到一個高維Bell態測量(BSM)平臺，而另外一路的光子傳導到一個工作在觸發模式的ICCD微光相機。根據高維BSM測量結果，如果對到達ICCD相機的光子施加了一個相應的幺正變換，那么經過多次重復該協議，ICCD最終可以記錄并獲得三葉草的圖像，雖然這個過程總是伴隨著一個背景白噪聲。而如果沒有幺正變換，ICCD只能記錄到一個錯誤的圖像。其實很好理解，因為雙光子態中包含了高維OAM糾纏純態，恰好提供了所需的量子信道用于三葉草圖像的正確傳輸，而雙光子態中的最大化混態僅僅是在傳輸信道中引入了一個簡單的背景白噪聲而已。

利用熱光源模擬隱形傳態傳輸高維量子態或光學圖像

在基礎物理方面，該熱光源雙光子OAM態密度矩陣的構建，不僅為厘清“鬼成像”的根源究竟是屬于經典物理還是量子物理的范疇這一學術爭議提供了一個新視角，同時在應用物理方面，該工作為發展新型的量子圖像傳輸技術提供了一種新思路。

由于雙光子OAM態所固含的高維OAM糾纏純態，我們期待熱光源在量子光學與量子信息領域，如量子密鑰分發、量子密集編碼、新型量子成像等方面，都可能具有更為廣闊的潛在應用。但跟標準的量子隱形傳態協議，未來該方案的實驗實現所面臨的技術難題也是在于如何實現所有高維Bell態的高效測量。

論文信息

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

本文作者為廈門大學物理科學與技術學院物理學系和福建省半導體光電材料及其高效轉換器件2011協同創新中心的陳理想教授。

論文地址

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

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編輯 | 趙陽

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