苏晓龙教授研究组在远程制备和操控光学猫态方面取得重要进展

近期，我所苏晓龙教授研究组和北京大学物理学院何琼毅教授研究组合作，基于高斯纠缠态实现了光学猫态的远程制备和操控。该成果以“Remote Preparation of Optical Cat States Based on Gaussian Entanglement”为题于2023年3月17日在线发表于Laser & Photonics Reviews 2300103 (2023)。

远程态制备是量子通信的一种重要方式。和量子态的直接传输相比，远程态制备具有更高的安全性、能够实现量子态的远程操控等优点；和量子隐形传输相比，它具有消耗更少的经典信息、不需要贝尔态测量、能够远程操控量子态等优点。光学猫态作为一种重要的量子资源，在探索经典与量子的边界、量子计算和量子精密测量等领域具有重要应用。高斯纠缠态具有确定性产生、可拓展性强等优势，是连续变量量子信息处理的重要量子资源。开展基于高斯纠缠态远程制备和操控光学猫态的研究对于推动量子通信的发展具有重要意义。

图1 远程制备和操控光学猫态的原理示意图

如图1所示，通过将双模压缩态的两个模式分别经过损耗信道分发给Alice和Bob。Alice对其拥有的模式进行减光子操作和平衡零拍投影测量操作，在Bob端远程制备了光学猫态。当Alice平衡零拍投影测量为p=0时，在Bob端制备正交振幅叠加方向的奇猫态，当Alice平衡零拍投影测量为x=0时，在Bob端制备正交位相叠加方向的奇猫态。因此，通过选择平衡零拍投影测量的角度，能够实现光学猫态叠加方向的远程操控。该方法结合了连续变量量子资源和离散变量光子探测技术，是一种典型的混合量子信息处理技术。

图2 远程制备的正交振幅方向叠加光学猫态和正交位相方向叠加的猫态Wigner函数随Bob端传输效率的变化

在不同Bob端传输效率时，实验远程制备了不同尺度的光学猫态，其Wigner函数结果如图2所示。可以看出猫态Wigner函数的负值随着传输效率的降低而减小，当传输效率很低时猫态的保真度将低于0.5。而当Alice端的模式被远程传输时，Bob端制备的猫态的保真度始终大于0.5，即Bob端远程制备的猫态对Alice端损耗的鲁棒性更高。此外，通过在Alice端减去更多的光子并对剩余模式进行平衡零拍投影测量，理论上证明了该方法可以远程制备高保真度的尺度大于2的光学猫态。该工作展示了一种远程制备和操控光学猫态的新方法，为基于光学猫态实现远程量子信息处理奠定了基础。

论文的第一作者为山西大学光电研究所韩冬梅博士和北京大学物理学院孙风潇博士，山西大学光电研究所苏晓龙教授和北京大学物理学院何琼毅教授为论文的共同通讯作者。

该项目获得了国家自然科学基金、山西省“1331”工程重点学科建设基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300103