非线性量子光学助力高维空间信息的量子传输

《Nature Communications》发表了威茨大学（Wits）和光子科学研究所（ICFO- The Institute of Photonic Sciences）的一个国际团队的研究成果，该成果展示了光 "图案 "的类似远距传输的传输方式--这是第一种无需物理发送图像就能在网络中传输图像的方法，也是实现高维纠缠态量子网络的关键一步。

图 1：利用非线性探测器实现高维量子传输。在我们的概念中，信息在相干光源上编码，并与非线性晶体中纠缠对的单光子重叠，通过和频产生进行上变频，后者充当非线性空间模式探测器。要达到非线性检测所需的效率，明亮的光源是必不可少的。信息和光子以相反的方向流动：Bob的一个纠缠光子被发送给 Alice，不含任何信息，而对另一个纠缠光子的测量与上变频光子重合，建立了量子链路上的信息传输。Alice不需要知道这些信息就能完成这个过程，而非线性允许状态在维度和基础上是任意和未知的。资料来源：Bereneice Sephton等人，《Quantum transport of high-dimensional spatial information with a nonlinear detector》，《Nature Communications》（2023）。

远距离量子通信是信息安全不可或缺的一部分，并已通过卫星之间的超远距离二维状态（量子比特）进行了演示。如果我们将其与经典通信相比，即每次发送一个可编码为 1（有信号）和 0（无信号）的比特，这似乎就足够了。然而，量子光学让我们能够增加字母的数量，并在一个镜头中安全地描述更复杂的系统，例如独一无二的指纹或人脸。

来自威茨大学的首席研究员Andrew Forbes教授说：传统上，通信双方通过物理方式将信息从一方发送到另一方，即使在量子领域也是如此。现在，有可能实现信息的远程传输，使其永远不会物理地穿越连接--这是一种实现了'星际迷航'的技术。遗憾的是，迄今为止，远距传态只在三维状态（想象一下三像素图像）下得到了验证，因此需要额外的纠缠光子才能达到更高的维度。

在这项研究中，研究小组首次用两个纠缠光子作为量子资源，进行了高维态量子传输的实验演示，结果信息似乎从发送方 "传送 "到了接收方。为了取得这一进展，研究小组使用了一种非线性光学探测器，这种探测器不需要额外的光子，但却适用于任何需要发送的 "模式"。
 

他们报告了 15 维度的最新技术，该方案可扩展到更高的维度，为具有高信息容量的量子网络连接铺平了道路。

图 2：实现量子传输通道。a. 泵浦光子（λp = 532 nm）在非线性晶体（NLC1）中发生自发参量降频转换（SPDC），产生一对纠缠光子（信号光 B 和闲频光 C），波长分别为 λB = 1565 nm 和 λC = 808 nm。光子 B 被引向一个空间模式探测器，该探测器由一个空间光调制器（SLMB）和一个单模光纤耦合雪崩光电二极管探测器（APD）组成。要传输的状态使用 SLMA（λA = 1565 nm）制备为相干光源 A，并在第二个非线性晶体 (NLC2) 中与光子 C 重叠，产生上变频光子 D，将其发送到单模光纤耦合 APD。b. 量子传输通道的理论模态带宽（K）与泵浦（wp）和探测到的光子（w0 和 wD）半径的函数关系，c 至 e 为实验确认，对应于 b 中的参数位置 C、D 和 E。串扰图显示的是轨道角动量（OAM）模式的制备和传输。报告的原始数据未进行噪声抑制或背景减除，并考虑了所有三种配置中相同的泵功率条件。资料来源：Bereneice Sephton等人，《Quantum transport of high-dimensional spatial information with a nonlinear detector》，《Nature Communications》（2023）。

想象一下，一位客户希望向银行发送敏感信息--也许是指纹。在传统的量子通信中，信息必须通过物理方式从客户发送到银行，始终存在被拦截的风险（即使信息是安全的）。在新提出的量子传输方案中，银行向客户发送不含任何信息的单光子（纠缠对中的一个），客户在非线性探测器上将其与要发送的信息重叠。因此，信息在银行出现时，就如同被传送到银行一样。双方之间从未实际发送过任何信息，因此无法进行拦截，而连接双方的量子链路是通过量子纠缠光子的交换建立的。

Forbes解释说：这个协议具有远距传输的所有特征，但有一个基本要素除外,它需要一束明亮的激光来使非线性探测器有效，这样发送者就可以知道要发送什么，但并不需要知道。从这个意义上说，这并不是严格意义上的远距传输，但如果非线性探测器能够变得更有效率，它在未来可能会成为远距传输。即使就目前而言，它也为连接量子网络开辟了一条新途径，将非线性量子光学作为一种资源引入。

来自 ICFO（巴塞罗那）的 Adam Vallés 博士（该项目的负责人之一，在威茨大学从事博士后研究期间参与了这项实验）说：我们希望，这项显示该过程可行性的实验能够推动非线性光学领域的进一步发展，突破实现全量子化的极限。我们现在必须谨慎行事，因为这种配置无法阻止作弊的发送者保存更好的待传送信息副本。从实用的角度来看，我们目前展示的配置已经可以用来为双方之间的量子通信建立高维安全通道，前提是协议不需要像量子中继器那样用单光子馈送。

图 3：可见性和量子态层析成像。

Vallés 补充说：利用现有技术进行概念验证实验是一次有趣的旅程，我们要感谢威茨大学的 Bereneice Sephton 博士的决心和驯服这种实验野兽所需的综合技能。这是一项真正的实验室工作，她应该受到赞扬。Forbes也有同感：这是一次英勇的实验，Bereneice Sephton 博士必须得到认可，因为是她让系统运转起来并进行了关键实验。

研究小组计划继续朝这个方向努力，下一步的重点是光纤网络的量子传输。

参考论文：《Quantum transport of high-dimensional spatial information with a nonlinear detector》，《Nature Communications》（2023）。