量子纠缠是实现量子信息处理不可或缺的资源。量子纠缠的规模直接决定了量子信息处理能力。因此，产生超大规模量子纠缠对于量子信息科学的发展至关重要。近年来，关于提升量子纠缠规模的研究不断发展。其中，将多个非线性过程集成到一个装置中是有效提升连续变量量子纠缠规模的方法之一。

在本研究工作中，荆杰泰课题组将时间复用的概念应用到连续变量量子系统中，极大地提升了量子纠缠的规模。基于时间延迟的量子干涉仪，该课题组理论提出并实验演示了一种生成包含2×20400个光学模式的超大规模连续变量量子纠缠态的方案。在该方案中，量子干涉仪的第一个四波混频过程用来产生量子纠缠源。然后在干涉仪的一臂中引入时间延迟线, 从而实现了时间复用的功能。最后利用干涉仪的第二个四波混频过程来实现时间延迟纠缠光束的合束，从而确定性地产生了包含2×20400个光学模式的超大规模量子纠缠。

实验上，如图1(a)所示，真空态的探针光束(黄色虚线)和真空态的共轭光束(蓝色虚线)在第一个铷原子池的中心与强泵浦光束(红色直线)同时且对称地交汇。泵浦光束与探针光束交汇的夹角大约为7 mrad。将探针光束和共轭光束分为时间周期为T的时间波包，并使得每个波包的时间长度等于波包的时间间隔。这里，用黄色和蓝色的球体来表示时间波包。由黄色或蓝色球体表示的波包是相互独立的，并且在时间上相互分离。量子干涉仪的第一个四波混频过程确定性地产生了一系列由时间间隔T分隔的纠缠态。然后，探针光束经历一个光纤延迟线，将被延迟约T的时间长度，从而产生了一系列在时间上交错的纠缠态。最后，利用量子干涉仪的第二个四波混频过程将时间上交错的纠缠态结合在一起。在时间上同步的共轭光束波包和探针光束波包将发生相互作用。最终，基于时间延迟的量子干涉仪产生了包含2×20400个光学模式的超大规模连续变量量子纠缠。以时间上连续且在空间位置上下对称的两对波包作为一个最小波包单元，该实验方案产生了20399个波包单元。这些波包单元的纠缠验证结果如图1(b)所示。该工作为实现超大规模连续变量量子信息处理提供了一个新的研究平台。该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 130, 060801 (2023)。

基于时间延迟量子干涉仪产生包含2×20400个光学模式的超大规模量子纠缠实验装置图

超大规模量子纠缠态的最小辛本征值