多比特超纠缠及非定域性的实验研究

量子通信是量子信息学研究领域中发展最快也是最先得到应用的一个重要分支。无论是利用光纤的量子通信，还是自由空间的量子通信，都要涉及到量子通信中的两个基本问题，即光源和信道问题。因此，对量子通信中纠缠源的研究及纠缠和非定域性的研究就成了一个重要而热门的课题。在我们原有工作的基础上，本项目将开展多比特超纠缠的纠缠及非定域性实验研究。进一步探索实现极化模和空间模杂化纠缠的新型高亮度多比特纠缠源的实验方案，并对这些多比特纠缠源进行纠缠度与非定域性关系的实验研究，对高亮度多光子纠缠技术的应用做进一步深入的研究，探索多比特超纠缠在量子信息处理中的应用。该研究将为实现安全有效的远程量子保密通信、量子计算等重大科学问题的解决提供实用性成果和理论基础。

量子通信是量子信息学研究领域中发展最快也是最先得到应用的一个重要分支。无论是利用光纤的量子通信，还是自由空间的量子通信，都要涉及到量子通信中的亟待解决两个基本问题，即高品质光源和高安全高容量信道问题。本项目在课题组前期工作的基础上，首先研究了多光子纠缠源和多比特超纠缠源的制备、优化，获得了高品质的三光子、四光子纠缠源并利用光子极化模式和空间模式杂化纠缠搭建了三光子-六比特、四光子-八比特超纠缠平台。设计并搭建了高区分度、连续性达10小时的Sagnac-like干涉仪。然后，采用Bell 不等式、Mermin 不等式及Svetlichny 不等式实验研究了三光子和四光子纠缠和非定域性的关系。利用保真度80% 四光子-八比特超纠缠态，得到了四光子-八比特体系的密度矩阵和可见度，并系统地研究了4比特、6比特和8比特超纠缠GHZ态的Ardehali不等式和比特数的关系。接下来，利用纯光学线性光学器件实验上分别模拟了量子旋转噪声、比特翻转噪声和相移噪声(集体和非集体)。利用模拟噪声系统理论研究并实验验证了Mermin 不等式，Bell不等式和Svetlichny不等式在噪声环境中的抗噪声能力，以及比特翻转噪声环境中超纠缠GHZ态的Ardehali不等式对定域实在论的违背。最后，实验上第一次展示了自旋为1/2系统的信息熵，利用线性光学器件构造了旋转矩阵，证实了自旋1/2体系量子信息熵随旋转矩阵角度的变化关系，得到自旋1/2系统在比特翻转的关联噪声以及非关联噪声环境下信息熵和噪声强度之间的关系。项目的研究为安全有效的远程量子保密通信、量子计算等重大科学问题的解决提供必要的理论和实验基础。