近期，Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室荆杰泰教授团队在量子信息领域连续取得重要进展，两项相关研究成果相继发表于国际物理学重要学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters 126, 060503 (2021) 以及Physical Review Letters 126, 210507 (2021)）。量子信息协议利用量子资源突破经典信息处理方式，从而实现高容量、高保真度以及高安全性的新型信息处理。荆杰泰教授团队长期致力于发展新型量子光源及其在量子信息科学中的应用研究。该团队近期连续取得的两项科研成果聚焦于提升量子信息协议的信息处理保真度，分别在实验上实现了全光学最优化N→M量子克隆和多功能全光量子态传输机，研究了这两种量子信息协议中信息处理保真度提升的机制。
《物理评论快报》发表荆杰泰团队研究论文
在量子克隆方面，量子力学决定了不可能对一个未知量子态进行完美克隆，然而有可能实现非完美克隆，从而提出了量子克隆的概念。对于量子克隆，如何提升其克隆保真度是一个非常重要的问题。全光最优化N→M量子克隆协议不仅可以避免之前连续变量量子克隆中所必须的光电和电光转换，而且可以显著地提升量子克隆保真度。因此，实验实现全光最优化N→M量子克隆十分重要。该团队利用基于四波混频过程的低噪声线性放大器和光学分束器实现了相干态的全光最优化N→M量子克隆。
在实验中，该团队首先通过光学分束器对相干态进行光学分束，从而完成全光最优化N→M量子克隆的N份原始副本的制备。之后，通过光学分束器对这N个原始副本进行光学合束，从而完成原始副本的能量集中。接着利用一个基于四波混频过程的低噪声线性放大器将能量集中后的态进行参量放大，并将放大后的态通过光学分束器进行M份的能量分发，从而完成对N个原始副本的M份量子克隆。研究表明全光学最优化N→M量子克隆的克隆保真度随着原始副本数N的增加而增加，同时随着克隆数M的减少而增加。通过调控原始副本数N以及克隆数M，该团队最高实现了克隆保真度为93.3%的相干态量子克隆。这些实验结果证明了全光最优化N→M量子克隆是一种有效提升量子克隆保真度的方法。这项成果以“All-Optical Optimal N-to-M Quantum Cloning of Coherent States”为题，以Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一完成单位，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters 126, 060503 (2021)）上。
全光最优化N→M量子克隆系统示意图以及通过全光最优化N→M量子克隆系统提升量子克隆保真度的实验结果
之后，该团队又在《物理评论快报》（Physical Review Letters 126, 210507 (2021)）上发文，报道了该团队利用低噪声四波混频过程，在实验上实现了集成三种量子信息协议（量子隐形传态、部分无实体量子态转换以及量子克隆协议）的多功能全光量子态传输机。
通常的量子信息系统一般只能执行单一的量子信息协议，然而量子信息任务不可能一成不变，因此开发一个兼容多种量子信息协议的多功能平台对于未来量子信息技术的实际应用至关重要。为此该团队基于原子系综四波混频过程实验实现了一种多功能全光量子态传输机，该系统可以同时实现三种不同功能的全光量子信息协议，包括全光量子隐形传态协议、部分无实体全光量子态传输协议以及全光量子克隆协议。
多功能全光量子态传输机示意图以及全光量子隐形传态协议、
部分无实体全光量子态传输协议和全光量子克隆协议的实验结果
在实验中，该团队利用基于原子系综四波混频的可调增益参量放大器、分光比可调分束器和量子纠缠态构建了多功能全光量子态传输机。当参量放大器的增益远大于1时，多功能全光量子态传输机执行全光学量子隐形传态协议；当参量放大器的增益不满足远大于1条件时，多功能全光量子态传输机执行部分无实体全光量子态传输协议；当不使用量子纠缠态时，多功能全光量子态传输机执行全光量子克隆协议。更重要的是，该团队证明了在相同的纠缠强度下，与全光量子隐形传态协议相比，部分无实体全光量子态传输协议可以显著提升量子态传输的保真度，实验实现了态传输保真度从0.62增强至0.80。该多功能全光量子态传输机为构建多功能连续变量量子信息系统开辟了道路。这项研究成果以“Experimental Demonstration of a Multifunctional All-Optical Quantum State Transfer Machine”为题，以Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一完成单位，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters 126, 210507 (2021)）上。
上述发表在Physical Review Letters上的两篇论文，共同第一作者是该团队的专任副研究员刘胜帅以及博士研究生娄彦博，荆杰泰教授为通讯作者。荆杰泰教授团队长期从事量子光学、原子分子物理方面的实验和理论研究，2019年以来在基于原子系综量子光源的实验产生及其在量子通信和量子精密测量的应用方面取得了系列研究成果。相关成果相继以通讯作者身份发表在本领域国际重要学术期刊上，包括7篇Physical Review Letters以及1篇Nature Communications等，相关研究成果受到国际国内同行研究组的广泛关注。截至目前，荆杰泰教授指导的研究生先后共有12人次获得“研究生国家奖学金”，6人次获得“上海市优秀毕业生”，3人次获得“王大珩高校学生光学奖”。
相关论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.060503
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.210507
图文、来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜宁沛灵 编审｜郭文君
