多模量子存储研究室
Prof. Bao-Sen Shi's Research Group
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【文章介绍】模拟高维纠缠


      相比于我们熟知的两维两体纠缠,如(|HH>+|VV>), 仍然存在一类两体的高维态。两体的高维纠缠态存在诸多优点,比如可以违背更高的非局域性;可以增加计算(传输)的信息容量;在信道安全的窃听上具有更高的安全性。高维纠缠可以写为:

目前产生高维纠缠的方式有路径,空间模式,频率,时间,光子态等。下表列出了一些重要的工作:


  我们小组最近和俄罗斯莫斯科国立大学的Kulik组同时独立的做了一篇无后向选择产生三维最大纠缠态的工作(PRA 98, 062316 (2018);PRA 98.060301 (2018)),然而,产生一个高维的类似态存在不小的技术挑战。目前没有一个体系同时具备高的维度扩展性、高保真度、易操控性等特点。从实用的角度看,许多量子计算的任务,诸如quantum wark,Grove 搜索算法中并不需要非局域性。具有类似数学形式的局域物理资源,例如不可分割态,可以实现非局域纠缠的模拟和特定算法的实现。

  我们小组实现了一个两体高维纠缠态的模拟。传统的两维纠缠的模拟是采用了光子的偏振和轨道自由度。我们采用了高维光场的角向和径向轨道角动量的两个自由度。我们在实验上模拟了CGLMP-Bell不等式的违背情况,观测到了十维的违背,对比了量子的情况:Nat.Phys. 7, 677 (2011)。本工作提供了两体高维模拟的一个有效平台。

图1: 实验装置和测得的空间模式频谱矩阵。

图2: CGLMP-Bell不等式的违背情况,蓝色为两体的后向选择的高维态(Nat.Phys. 7, 677 (2011));红色为我们的实验结果。

文章目前被Opt.Express 接收。

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Abstract:

An analogous model system for high-dimensional quantum entanglement is proposed, based on the angular and radial degrees of freedom of the improved Laguerre Gaussianmode. Experimentally, we observed strong violations of the Bell-CGLMP inequality for maximally non-separable states of dimension 2 through 10. The results for violations in classical non-separable state are in very good agreement with quantum instance, which illustrates that our scheme can be a useful platform to simulate high-dimensional non-local entanglement. Additionally, we found that the Bell measurements provide sufficient criteria for identifying mode separability in a high-dimensional space. Similar to the two-dimensional spin-orbit non-separable state, the proposed high-dimensional angular-radial non-separable state may provide promising applications for classical and quantum information processing.

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