不过,此前实验通常传输的是光子的偏振态这个量。偏振态是一个二维态,可以在二维空间中由两个本征矢量描述。
但郭光灿团队认为,光子自然存在其他一些多维态,例如轨道角动量、时间模式、频率模式和空间模式等,多维系统在量子世界里更为普遍。因此,要完全远程重建单光子的量子态,需要进行多维态的隐形传送。
论文指出,传送高维量子态主要存在两大挑战。一是要产生高质量的高维纠缠态,这是量子隐形传态的基础。
为此,李传锋、柳必恒等人从2016年开始就采用光子的路径自由度编码,解决路径比特相干性问题,制备出高保真度的三维纠缠态。他们也解决路径维度扩展问题,实现了32维量子纠缠态,此外,他们实现了高维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输。
二就是要对光子实施高维贝尔态测量。理论研究表明,在线性光学体系中,必须采用辅助粒子才能实现高维量子隐形传态。
在量子隐形传态原本的模型里只有三个光子,郭光灿团队发现,利用⌈ log2(d )⌉ -1个辅助纠缠光子对,就可高效实现d维量子隐形传态。也就是说,传输3维量子态,需要1对辅助纠缠光子。
在这里,小红想要把1号光子的三个空间模式量子态传给小明,除了双方各自得到纠缠起来的2号光子和3号光子以外,小红还要在辅助纠缠光子对4号和5号的帮助下进行高维贝尔态测量,把测量结果通过传统信道(比如打电话)告知小明。最后,小明要根据小红的测量结果对手上的3号光子执行适当的操作,就能把它转变为1号光子的初始状态。
实验结果表明,量子隐形传态保真度达59.6%,以7个标准差超过了经典极限值1/3,证实了三维量子隐形传态过程的量子特性。
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