在量子信息科学中，量子隐形传态是最重要和极具吸引力的协议之一，利用该协议可以实现对未知量子态无实体地高保真异地传输。量子隐形传态的概念自1993年被提出以来，受到了全球众多科学家的广泛关注，并在实验和理论方面都取得极大的进展。尤其是近年来我国科学家在远距离星地以及光纤通道量子隐形传态方面更是取得了一系列突破性进展。

在量子隐形传态的研究中，信息传输能力是衡量量子隐形传态性能的一个重要指标。在经典的光通信中，多路复用可以通过将多个通信信道合并成一个信道来大大提高信息传输能力。可以想象，多自由度多通道量子隐形传态的发展将大大提高其信息传输能力。

在本研究工作中，荆杰泰教授研究团队充分利用量子纠缠源的高容量特性，构建了基于光场径向、角向、偏振、频率的四自由度超纠缠态，并将该超纠缠态与全光量子隐形传态协议相结合，构建了四自由度全光量子隐形传态体系。完整描述一个量子态需要多个自由度，因此该四自由度全光量子隐形传态体系为更完整地传输量子态提供了可能。

在实验中，如图1(a)所示，首先利用原子系综四波混频过程制备光场径向、角向、偏振、频率四个自由度的连续变量超纠缠，并分发到参与量子隐形传态协议的发送方(Alice)以及接收方(Bob)。Alice利用一个高增益光学参量放大器，把待传量子态与她所拥有的量子纠缠资源进行模式匹配的参量放大，并将放大后的光学信息通过全光通道传输给Bob。Bob在收到全光信号之后，利用线性光学分束器，将其与自身所拥有的量子纠缠资源进行耦合，从而实现待传量子态的高保真复现。实验结果如图1(b)、1(c)所示，不同模式四自由度全光量子隐形传态的保真度总是可以超过相应的经典极限，清晰地演示了四自由度全光量子隐形传态的成功构建，展示了该体系的高容量优势。该工作为确定性地构建多自由度量子信息体系奠定了基础。研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Physical Review Letters 132, 100801 (2024)。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.100801

图1: (a)四自由度全光量子隐形传态实验装置；(b)重构输出态的正交振幅和正交相位噪声；(c)不同拉盖尔高斯光束径向、角向模式、频率和偏振下测量的保真度。