量子信息科学包括量子精密测量、量子通信以及量子计算三大领域，其旨在利用量子资源，实现高安全性、高保真度以及高容量信息处理方式。与量子隐形传态和量子密集编码协议一样，纠缠交换协议也是量子信息科学中最重要的协议之一。由于利用纠缠交换协议可以使得两个没有直接相互作用的粒子发生纠缠，其被认为是实现量子中继构建量子网络的核心单元。纠缠交换协议自1993年首次在理论上提出以来，受到了量子信息领域的持续关注，在分离变量和连续变量领域均取得了重要研究进展。在连续变量领域，实现纠缠交换需要采用基于光电和电光转换的贝尔态测量，这限制了纠缠交换在构建宽带量子网络中的应用。

        在本研究工作中，为了解决这一问题，荆杰泰教授课题组提出并实验实现了一种无测量的全光纠缠交换协议。在该协议中，基于四波混频过程的低噪声光学参量放大器通过对输入态的高增益放大，避免了使用光电和电光转换，从而无测量地实现了传统方案中贝尔态测量的功能。该工作为实现纠缠交换提供了一种全光学模式，并为构建无测量的全光宽带量子网络奠定了基础。

        在实验中，如图1(a)所示，该团队在实验中首先通过搭建两套四波混频过程来产生两组相互独立的高纠缠度双光束量子纠缠源（EPR1和EPR2）。Alice 和Bob 分别拥有两组独立双光束量子纠缠中的一束。之后，将两组独立双光束纠缠中剩下的两束光通过4F成像系统传给第三方Claire。Claire 通过一个基于四波混频过程的高增益低噪声光学参量放大器对两束光的量子信息进行全光学提取，并利用一个全光通道把提取到的量子信息传输给Bob。最后，Bob利用线性光学分束器将接收到的量子信息传递到其所拥有的光束上，从而完成全光纠缠交换。全光纠缠交换协议完成之后，两个最初独立的光场在没有直接相互作用的情况下就具有了量子纠缠特性。如图1(b)所示，Alice 和Bob拥有的两个最初独立的光场在全光纠缠交换协议完成之后，其正交振幅分量的量子关联为0.43±0.06 dB，而正交相位分量的量子关联为0.42±0.05 dB，展示出了显著的量子纠缠特性。为了在实验上展示全光纠缠交换的宽带宽特性，该团队还详细测量了全光纠缠交换协议的带宽，实验结果表明在一定带宽范围之内均可以实现纠缠交换协议，成功突破了传统方案的单边带运转限制。此外，还测量了系统全光通道的抗损耗特性，实验结果表明在高达70%损耗的情况下，系统仍能完成纠缠交换。该研究成果发表于Phys. Rev. Lett. 128, 060503 (2022)。

图1.  (a)全光纠缠交换实验装置示意图   (b) 全光纠缠交换的实验结果