迪拜皇宫_(中国)物理科学与技术学院陈理想教授团队基于结构光场非线性操控，在实验上实现了高维量子态的远程传输及无相互作用量子成像，相关成果以“Remote transport of high-dimensional orbital angular momentum states and ghost images via spatial-mode-engineered frequency conversion”为题在线发表于Nature Communications14, 8244 (2023)。
量子隐形传态（quantum teleportation）是构建量子网络的核心技术，其理论框架由Charles Bennett等人1993年首次提出。经过30年的发展，人们在各种不同的量子体系中相继实现了量子隐形传态。然而，以往的研究大多集中在二维量子体系。近年来，随着光子轨道角动量（OAM）、路径、频率等自由度的发展，基于光子的高维量子体系引起研究人员的广泛关注。而如何实现高维的量子隐形传态成为当前亟待解决的难题。理论研究表明，在线性光学体系中，为了实现高维贝尔态测量，需要引入辅助纠缠光子，具体而言，为了实现d维量子态传输，至少需要d+1光子纠缠。基于当前多光子纠缠操控技术，实现可扩展的高维量子隐形传态仍面临诸多难题。
Fig.1高维OAM叠加态量子隐形传态及无相互作用量子成像实验装置。
在此背景下，陈理想教授团队另辟蹊径，基于OAM光场非线性过程调控提出了一种高维类贝尔态测量技术。如图1所示，Alice和Bob作为信息的发送者和接收者分别拥有高维纠缠双光子中光子b和c，而待传输的未知高维OAM叠加态编码在一束强相干光a中。为了实现信息的远程传输，Alice对携带信息的相干光a和手中的单光子b进行非线性和频操作。如果仅探测和频光场中OAM为0的成分，那么基于参量上转换和下转换过程中OAM守恒，三束光场的OAM满足，可以看出光子c的模式与相干光a恰好相同。换句话说，通过这种级联的非线性光学过程，可以将相干光a中的信息传输给单光子c。实际上，研究团队通过理论分析得出，和频产生的不同模式恰好对应不同高维贝尔态的测量结果，因此Bob基于Alice端和频结果对自己手中的光子进行相应的操作便可以获得待传输的高维OAM叠加态信息。研究团队首次在实验上将编码在相干光场上的5维OAM叠加态高保真地传输给了单光子，传输结果如图2所示。此外，研究团队还将该方案推广到了量子成像领域，提出并实验实现了一种全新的量子成像方式，即用于照射物体的光场和恢复物体的光场没有任何相互作用，与传统关联成像需要两束纠缠光子完全不同。
Fig.2五维OAM无偏基远程传态的实验结果
与量子隐形传态相同，该方案同样可以完成一个未知叠加态的传输。随着人工序构巨非线性材料的发展，该方案有望在真正的单光子条件下实现，即基于非线性光学过程的可扩展高维量子隐形传态，从而为构建未来大容量高维量子网络提供重要支撑。
该论文的第一作者是迪拜皇宫_(中国)物理学系邱晓东博士后，通讯作者是陈理想教授，另外物理学系2018级博士生郭昊旭（现为汕头大学青年教师）也参与了相关实验工作。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、迪拜皇宫_(中国)南强青年拔尖人才等项目的资助。
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（物理科学与技术学院）
