四维超纠缠态光子室外首次传输成功 向构建更高效安全量子网络迈出重要一步

据物理学家组织网8月23日报道，奥地利科学家成功在两个相距1200米的屋顶间传送了超纠缠态光子，首次在实验室以外的现实世界证明了超纠缠态光子传输的可行性。发表在最新一期《自然·通讯》杂志的这一研究成果，向实现基于卫星系统快速安全传输量子信息的全球化量子网络迈出了重要一步。

目前最简单常用的光子纠缠是偏振纠缠，即单个光子通常表现出垂直偏振态或水平偏振态，但纠缠后就会处于水平偏振和垂直偏振的叠加态。用偏振纠缠对数据编码，每个光子最多只能携带一个量子位信息。而光子还有其他纠缠方式，将这些方式与偏振纠缠结合使用，可获得更具优势的超纠缠光子态，不仅具有更高的数据传输效率、储存的信息量子位也成倍增加，量子通信的安全等级也会大大提升。但之前关于超纠缠光子的相关实验只在受到严格保护的实验室环境内短距离实现。

新研究中，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所（IQOQI）物理学家鲁帕特·乌尔辛带领其团队，在偏振纠缠中加入了另一种“能量时间纠缠”，从而创造了一种四维超纠缠光子态。实验中，他们选用“早”和“晚”这两个特定值，代表两个能量时间纠缠态。

研究团队利用实验室的超纠缠光源产生了大量超纠缠光子对，每个光子对中的一个光子储存在实验室，另一个光子则通过光纤传送到实验室屋顶的激光发射管，该发射管将这个光子通过自由空间发送到相距1200米的另一房顶上安装的接收装置，光子到达后仍然能保持与实验室内另一光子的超纠缠态。

实验证明，尽管大气涡旋导致超纠缠光子的传输效率变化无常，且有大约一半的光子被光学器件吸收而失踪，但每秒仍能检测到2万对光子在相距1200米处保持超纠缠态，首次证明了能量时间/偏振同时纠缠的超纠缠光子在真实世界中的可操作性，为开发基于超纠缠光子的量子应用铺平了道路。