基于全息影像的量子纠缠测量方法，“可视化”技术让结果更直观、快速

基于全息影像的量子纠缠测量方法，“可视化”技术让结果更直观、快速

在高维状态下纠缠光子的能力可以提高量子通信的安全性和容量。但是科学家们目前正在努力以一种可靠而直接的方式来测量纠缠纯度和维度。现在，一个国际研究小组提出了一种“简单、快速和直接”的技术来确定这些数量。该团队已经通过实验证明了其方法，适用于广泛的噪音水平。

因噪音而复杂

纠缠是一种独特的量子现象，它将两个粒子相关联，因此无论距离多远，对一个粒子的测量都会立即确定另一个粒子的状态。这种系统中的维度是指唯一可能结果的数量，这取决于用于进行纠缠的属性。例如，偏振将仅限于二维纠缠，而结构光可能有更多。

测量这些维度会因噪声而变得复杂，这会降低量子信号并减少有用维度的数量。迄今为止，克服这种有害影响一直是科学家们头疼的问题，他们开发了多种测量技术——每种技术都有其自身的优点和缺点。

Isaac Nape（南非威特沃特斯兰德大学）及其同事设计了一种新的基于全息图的技术，可以相当容易和快速地测量纠缠尺寸

例如，量子状态断层扫描会一点一点地产生有关维度数量的信息，就像医生可能会使用计算机断层扫描技术通过组合一系列二维切片来创建人体的三维图像一样。但所涉及的信息量之大，使得该过程极其耗时。更快的替代方法是进行贝尔状态测量。但是，虽然这样的测量提供了关于粒子是否纠缠的明确判断，但它们传达的关于尺寸的细节很少。

通过干扰“可见性”加速

在最新的工作中，由南非威特沃特斯兰德大学的 Andrew Forbes 和来自英国和台湾的同事领导的一个团队设计了一个新方案，该方案可以提供有关系统维度和纯度的详细信息——即使数字涉及的测量值仅与这些量成线性关系。它通过记录多维纠缠的两个粒子之间干涉测量的“可见性”来实现。

实验装置示意图。NLC，非线性晶体；f 1、f 2、f 3、f 4，透镜；BS，50:50分束器；SLM，空间光调制器；D、探测器；APD，雪崩光电二极管耦合到单模光纤（SMF）；CC，巧合计数器

Forbes 及其同事使用非线性晶体中产生的纠缠光子对演示了该方案。他们将每个光子通过使用空间光调制器创建的全息图，并用轨道角动量 (OAM) 对其进行编码，OAM 是光束波前围绕其传播方向扭曲的程度。然后，他们将光子耦合到单模光纤中，并记录粒子是否同时到达巧合计数器。

通过改变 OAM 叠加态并记录每组新状态的重合概率，研究人员能够建立一系列量子干涉条纹。每个边缘都有自己的可见度，这是衡量它有多清晰（或模糊）的指标。

“量子线索”

福布斯表示，这些可见性包含大量信息，同时提供了有关被调查状态的许多问题的答案。他将该工具比作 Cluedo 游戏的量子版本（在北美称为 Clue）。“如果你拿着烛台在浴室里猜出 Plum 教授，”福布斯说，“那么可见度就会告诉你你的猜测有多少是正确的。”

与棋盘游戏相反，在量子Cluedo的世界中，人物、房间和武器的数量是未知的。但是，福布斯认为，通过比较可见性答案并寻找它们之间的重叠，可以准确地提取所需的信息——在这种情况下，是纠缠维数和纯度的度量。

福布斯及其同事认为，无论测试的量子态如何，该工具都应该可以工作。为了证明这一点，他们进行了一项实验，该实验涉及具有广泛维度（多达 100 个）以及各种噪声条件下的状态。他们还发现，无论量子数据如何编码，它都可以工作，并使用位置变化和 OAM 来证明它。

简单的收获

主要作者 Isaac Nape 承认这种方法有其局限性。一方面，它仅针对一种特定形式的噪声进行了测试，即常见的白噪声。尽管如此，Nape 说使用易于构建的全息图和能见度的测量使得该方法远没有断层扫描那么复杂。

福布斯表示，他们并不打算取代竞争对手的技术，而是对其进行补充，并解释说，为了获得有关量子态的所有信息，始终可以在之后进行完整的断层扫描。正如他所说，不同的方法提供了“课程的马匹”。他补充说，该小组的方案可能特别适合的一个应用是测量噪声及其对现实世界量子通信链路中纠缠维度的影响。