量子光源是实现量子通信不可或缺的关键资源。提高量子通信体系中的光束数量，从而提高量子通信的复杂度对于实现大尺度量子通信网络至关重要。

通常多体量子纠缠的产生需要很复杂的光学分束系统，严重限制方案的可扩展性。目前国际上最新的研究趋势是通过频率和时间复用将多个非线性过程集成到一个简单的装置。但该方案产生的多体纠缠在空间上很难分离，限制了其构建远距离量子通信网络的可能性。

荆杰泰教授团队创新性地提出了空间复用四波混频的概念，在单个原子系综内集成了七个四波混频过程，巧妙地“编织”出了一个高度集成的四波混频网络，从而产生了空间分离的六光束纠缠态。同时该团队发现系统的纠缠结构可以通过“裁剪”泵浦光源的特性来实现灵活多样的重新配置。这种纠缠结构的可重新配置性使为一个特定的量子通信任务实时产生其所需的多体纠缠态成为可能。

在实验中，该团队利用两束具有一定夹角的激光束形成了空间结构的泵浦光，用其来泵浦一个热原子系综。实验研究结果表明仅仅这两束激光就诱导了七个并行发生且相互交织在一起的四波混频过程，即空间复用型四波混频过程。这一高度集成的非线性过程最终导致了空间分离的六个输出光束的产生。在实验技术方面，该团队通过六套平衡零拍探测系统来检测这六光束之间的纠缠特性。通过精确调节两泵浦光之间的功率比，可以显著调节六束光之间的纠缠结构。同时对于实验研究的所有的泵浦功率比情况，产生的六光束均满足正交转置正定纠缠判据，从而证明系统确定性产生了六光束纠缠态。最后还利用另外一种纠缠判据检验了六光束纠缠，发现其中两种功率比情况满足该判据，表明在这两种功率比情形下，产生的六光束纠缠态可用于构建量子隐形传态网络。该研究为量子通信提供了一个产生大尺度空间分离且结构可重新配置的多体纠缠的崭新平台。这项研究成果于2020年3月3日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters 124, 090501（2020））上。

图1 空间结构的泵浦光产生六光纠缠的装置示意图、调节两泵浦光的功率比得到的六光束体系辛本征值和内部纠缠结构调控的实验结果。