多组份纠缠是构建量子网络的重要资源，它使得实现多用户量子信息协议成为可能。然而，当在复杂环境中分发时，多组份纠缠对复杂环境引起的噪声和损耗很敏感，因此在实际应用中不可避免地受到退相干的影响。因此，迫切需要解决复杂环境引起的多组份纠缠退相干问题。

贝塞尔光束是亥姆霍兹方程的一类传播不变解，由于其独特的特性，受到了越来越多的关注。贝塞尔光束因其具有自修复的特性，即被障碍物遮挡后贝塞尔光束可以重建其强度和相位分布，在多种物理体系中得到应用。在本研究工作中，荆杰泰教授团队利用贝塞尔光束的自修复特性，在光束传播方向上存在障碍物的情况下，实现了光量子网络中多组份纠缠的自修复。

在实验中，该团队基于铷原子系综中的级联四波混频过程产生三组份纠缠，构建了光学轨道角动量复用的量子网络。如图1(a)所示，该团队利用锥形镜将级联四波混频过程中产生的一束光转化为贝塞尔光束，并在该光束的传播方向上放置一个不透明的障碍物。三组份纠缠被障碍物引进的噪声和损耗破坏，但随着自由空间传输距离的增加，由于贝塞尔光束的自修复特性，三组份纠缠也随着该光束的恢复而逐渐自修复。该团队使用三组平衡零拍探测提取光场的正交分量来构建协方差矩阵，从而刻画系统的量子特性。部分转置保持正定判据，一种对于三组份纠缠的充分必要判据，被用来验证该系统中三组份纠缠的自修复：当且仅当三个部分转置协方差矩阵的最小辛本征值都小于一时，该系统存在三组份纠缠。障碍物后不同传输距离下测得的辛本征值如图1(b)所示，可以看出随着传输距离的增加，三个辛本征值逐渐减小到一以下，从而证明了三组份纠缠在障碍物后的逐渐自修复。作为对比，该团队实验演示了使用高斯光束分发三组份纠缠时不能观察到纠缠自修复的现象。

同时，基于该量子网络中丰富的纠缠结构，该团队验证了光量子网络中五组三组份纠缠和十组两组份纠缠的同时自修复。这些实验结果证明了贝塞尔光束为自由空间量子纠缠分发提供了一种对障碍物更具有鲁棒性的模式基，为复杂环境中构建多光束量子网络奠定基础，并可应用到基于多组份纠缠的量子信息协议中以提升其在复杂环境中的表现。该研究成果发表于Optica 9, 663 (2022)。

图1: (a)量子网络中多组份纠缠自修复的示意图。(b) 验证三组份纠缠自修复的实验结果。