重现光子纠缠或可增强量子通信和成像——《物理世界》

印度的研究人员表明，当光子从源头传播开时，在某个连续变量基础上的光子纠缠会自行恢复。 这一发现可能对长距离安全传输量子信息和湍流介质中的量子成像有用。

物理学家们正在广泛探索光子间的量子纠缠，通常是为了开发用于计算、通信、传感和成像的新型量子技术。一些潜在应用需要将纠缠光子远距离传输或在湍流环境中无损传输。然而，目前在这些情况下保持某些类型的纠缠非常棘手——成功与否取决于诸多因素，包括量子信息在光子中的编码方式。

现在 阿南德·贾 和同事 量子光学与纠缠实验室 在印度理工学院坎普尔，他们通过使用光子的角位置来编码信息提供了一种可能的解决方案。 他们观察到，纠缠似乎随着光子传播而消失，但随后又奇怪地重新出现。 他们还表明，即使在光子穿过通常会破坏纠缠的湍流空气之后，纠缠也会重新出现。 他们描述了他们的研究 科学进展.

光子纠缠

光子具有许多不同的自由度，可用于编码量子信息。具体选择取决于需要编码的信息类型。对于量子比特，可以使用光子的离散属性，例如偏振或轨道角动量。但有时，尤其是在传感和成像应用中，更适合对量子信息进行连续编码。在这些应用中，研究最多的纠缠属性——或称“基”——是光子的位置，由其笛卡尔坐标表示。

量子纠缠现象赋予粒子之间比经典物理学所允许的更为紧密的联系，并且与用于编码量子信息的特定基无关。然而，在实验中使用或测量纠缠的方式可能并非与基无关。这适用于纠缠“见证”，即用于确定系统是否纠缠的数学量。对于连续基，见证与基相关，这种依赖性意味着某些类型的连续纠缠可能比其他类型的更有用。

对于位置-动量基而言，通过观测者观察到的纠缠会随着光子远离光源而迅速衰减。为了克服这一问题，科学家通常对光源本身进行成像，从而利用光子间的纠缠。路径中的任何湍流也会迅速破坏纠缠，需要自适应光学等复杂技术才能恢复纠缠。这些额外的校正步骤限制了纠缠光子的应用。

Jha 及其同事的这项最新研究探索了如何通过使用密切相关的替代基础——光子的角位置来保持纠缠。

产生、失去和重拾纠缠

在实验中，研究人员利用高功率“泵浦”激光器向非线性晶体发射光子，从而产生纠缠光子。在光子能量和动量守恒的条件下，一个泵浦光子会通过自发参量下转换（SPDC）过程产生两个纠缠光子。这两个光子的所有性质都相互纠缠。例如，如果在一个位置检测到一个光子，则另一个纠缠光子的位置也会自动确定。这种关联也存在于其他物理量中，例如动量、角位置和轨道角动量。

研究人员通过未采取任何校正措施的观测结果发现，光子间的位置纠缠在传播约4厘米后消失。另一方面，角度-位置纠缠则呈现出有趣的现象。它在传播约5厘米后消失，但当光子再传播20厘米后，纠缠又重新出现（见图）。研究人员利用数值模型对实验结果进行了定性验证。

这种提纯方法增强了单对光子中的量子纠缠。

当研究团队在纠缠光子的传播路径上制造湍流环境时，也观察到了同样的趋势。他们使用吹风机搅动空气，改变其折射率。在这种情况下，光传播了约45厘米的距离后，纠缠现象得以恢复。

目前还不完全清楚是什么原因导致角位置基础上的纠缠重新出现。 基础是特殊的，因为它在一个完整的圆圈后环绕。 根据 Jha 的说法，这是其与众不同的因素之一。

尽管这项研究表明，量子纠缠在不到一米的距离内具有很强的鲁棒性，但Jha及其同事声称，这种恢复能力在数公里距离上也同样适用。这使得在不破坏纠缠的情况下，通过大气湍流传输量子信息成为可能。这种在湍流中保持鲁棒性的能力，也可能使得在模糊的生物化学环境中对物体进行量子成像成为可能，且对物体的破坏或损伤最小。