近年来，量子通信领域发展迅速，而量子光源是量子通信中非常重要的量子资源。荆杰泰教授团队长期聚焦于提升量子光源的性能，包括量子光源的量子关联特性、纠缠容量和光束数量等，其中量子关联特性直接决定了量子通信的保真度，而光束数量以及纠缠容量共同决定了量子光源的尺度。提高量子通信体系中的纠缠容量，从而提高量子通信的信道容量对于实现大尺度量子通信网络至关重要。一方面，复用（Multiplexing）是提高经典通信系统信息承载能力的重要手段。而另一方面，光学轨道角动量（Orbital Angular  Momentum）作为一个重要的物理量，引起了广泛的研究兴趣，由于光学轨道角动量具有无限带宽，螺旋波前等性质特点，已经被成功应用于经典光通讯、光学操控微粒以及分离变量量子纠缠等领域。

荆杰泰教授团队通过将多体纠缠和光学轨道角动量复用的概念结合起来，并应用于连续变量纠缠体系，从而提出了一种通过复用光学轨道角动量的不同模式来大幅度增加连续变量量子通信体系纠缠容量的方案，在实验上成功实现了光学轨道角动量复用的三光束纠缠态，大大提高了系统纠缠的尺度，为实现确定性并行量子协议以及构建确定性并行量子网络奠定了基础。

在实验中，该团队利用热原子系综中的级联四波混频过程产生了三光束的纠缠态。在这三束光通道中，系统同时确定性地产生了9组三光束纠缠的拉盖尔高斯（Laguerre-Gaussian，LG）模式和20组两光纠缠的LG模式。同时该团队发展了基于LG模式的量子纠缠探测方案，并利用这一探测方案成功在实验上验证了这些对应模式之间的量子纠缠特性。此外该工作还验证了系统中对三光束其中一束的拓扑荷数l进行符号变换后三束光不存在纠缠，从而证明了该级联四波混频过程中，非线性相互作用遵守光学轨道角动量守恒定律，并且这种守恒是产生多光纠缠的必要条件。该工作还研究了四波混频系统中三种不同类型的光学轨道角动量相干叠加模式情况下的三光束量子纠缠特性，多方面展示了系统丰富的纠缠结构。该成果于2020年2月28日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters 124, 083605 (2020)）上。

图1 光学轨道角动量复用的三光束纠缠产生装置的示意图、三光束纠缠实验结果、两光束纠缠实验结果以及系统丰富的纠缠结构示意图。