基于量子纠缠实现的量子信息协议可以完成经典协议无法完成的信息任务。因此，量子信息协议在信息处理方面具有巨大的优势。量子密集编码是量子信息中的一种基本协议，它在原则上可以将通道容量扩大一倍。在该协议中，如果发送方和接收方事先共享了一对纠缠的量子比特，则可以通过发送一个量子比特的量子信息来传输两比特的经典信息。

        一个自然的问题是，量子密集编码方案的通道容量是否已经是在固定量子资源下通道容量的极限。在离散变量系统中，在四维双光子纠缠源的帮助下，基于二维双光子纠缠的量子密集编码通道容量极限已经被突破。在连续变量系统中，高维纠缠的对应物是多路复用纠缠源。因此，在固定量子资源的连续变量系统中，使用多路复用纠缠源来突破传统量子密集编码方案的通道容量是很有希望的。作为最基本的物理量之一，光学轨道角动量在原则上可以提供无限多个模式，已被用于实现多路复用。这种多路复用的资源有望展示高容量的量子信息协议。

  在本研究工作中，荆杰泰教授团队基于四波混频过程在实验上实现了轨道角动量复用的量子密集编码方案。该团队将Einstein-Podolsky-Rosen （EPR）纠缠源编码在轨道角动量叠加模式上，并用此轨道角动量复用的纠缠源来实现轨道角动量复用的量子密集编码方案。通过对不同方案信噪比的测量，得到不同方案的通道容量并进行了明确的对比。该团队发现轨道角动量复用的密集编码方案的通道容量相比于使用相干态的传统经典方案提高了 2.7dB。而在相同资源下，传统密集编码方案要实现这样的通道容量提高需要制备出超高水平压缩的纠缠源。该团队的实验结果清楚地显示了轨道角动量多路复用能够显著提高连续变量量子信息协议的通道容量。

        在实验中，如图1(a)所示，该团队首先利用空间光调制器产生基于四波混频过程的轨道角动量复用 EPR纠缠源，之后将 EPR1传给 Alice。Alice 在 EPR1的正交振幅和正交相位分量上编码经典信息，并将其传给 Bob。Bob 在 EPR2的帮助下利用平衡零拍探测进行解码。该团队通过测量各个方案的信噪比来得到对应方案的通道容量。实验结果如图1(b)所示，轨道角动量复用的密集编码方案通道容量显著提高，相比于使用相干态的经典方案有 2.7 dB 的增强。该研究成果发表于Phys. Rev. Lett. 127, 093601 (2021)。

图1: (a) 轨道角动量复用的量子密集编码实验装置示意图。(b) 不同方案中纠缠源编码于不同轨道角动量模式的通道容量的实验结果。