Nature-通讯物理学（综述）：基于空分复用光纤的量子信息处理技术的最新进展
图片来源：UPWARD
撰稿 | 施议焕
近期，两位来自瑞典林雪平大学（Linköpings Universitet）的学者在Nature旗下的《 Communications Physics 》对基于空分复用光纤的量子信息处理技术的原理，应用，与传统电信网络的集成以及未来发展趋势和面临的挑战进行了全面讨论。
研究背景
在光子量子信息处理中，单个光子的不同自由度（例如偏振态，频率和横向动量）可以用于编码各种维度的量子系统。
而特别令人感兴趣的是依赖于空间模式对量子系统进行编码的方法，该方法提供了实现高维希尔伯特空间的可能性。
它已经被证明可用于光子集成电路的量子信息处理，能够提高实验装置的鲁棒性和集成度。
然而，由于目前许多商用光纤仅被设计为只支持基模传输，因此对于这样的量子态在光纤上的传播已成为一个主要的研究方向。
尽管存在多模光纤，而且它们能够支持数百种模式传输，但是需要复杂的辅助光电系统来进行原始波前重建。而空分复用光纤技术和器件来很好的解决这个问题。
光通信中的空分复用技术
空分复用光纤主要有两种类型：多芯光纤和少模光纤，另外还有少模-多芯光纤以及环形光纤这两种衍生出来的光纤。
第一种是多芯光纤，即将在光纤包层中放入多根单模纤芯来实现多芯光纤。这种光纤因为横向间距比较大，所以纤芯之间可以视为独立光纤。这种光纤的优点是不需要额外的MIMO系统来进行解码恢复，缺点是信道密度比较低。
第二种是使用具有单根纤芯但是能够实现多个模式传输的光纤，即少模光纤。这种光纤的特点是由于只有一根纤芯所以模间串扰比较少，但是需要额外的MIMO系统进行解码恢复。
此外还有一种将少模光纤和多芯光纤结合起来的少模-多芯光纤，既将多芯光纤中的单模光纤替换为少模光纤，这种光纤兼备有少模光纤和多芯光纤的特点。
另外为了实现利用叠加轨道角动量的光学空间模式进行信息传输，由此还设计出具有高折射率环形纤芯结构的环形光纤，并利用这种光纤实现了信息传输。
复用器和解复用器用于将不同的数据流组合和拆分到空分复用光纤中的相应空间信道中。
目前这种器件的主要研究方向是将复用器和解复用器集成在光纤或者光子芯片上。
对于多芯光纤来说，已经实现了复用器和解复用器可以通过激光直写光刻技术直接制备在光子芯片上。
而对于少模光纤来说，目前使用的比较多的是一种称为光子灯笼（Photonic Lanterns）的器件，这种器件可以将多根单模光纤和多模光纤相互耦合在一起。
这种光子灯笼器件目前已经实现了集成在光子芯片上，这能得到更高的集成度。
对于携带有轨道角动量的光学模式来说，复用器使用的是一种称为模式分类器（Mode Sorters）的器件，这种器件一般由固体光学器件组成。
最后，通过利用3D飞秒激光直写技术以及集成光子灯笼，可以将少模-多芯光纤的扇入/扇出器件搭建在光子芯片上。
空分复用量子信息处理技术的应用
空分复用量子信息处理技术的应用主要有两种：
使用更高维度量子系统时，量子信息中的许多基本任务和应用任务都会受益，例如更大程度地违背贝尔不等式，改善通信系统复杂性问题，不需要信号监控的量子密钥分发以及在更大噪声下的证明量子纠缠的存在。
但是为了在光纤上实现空间模式高维量子密钥分发，一个主要的问题是:在光纤中传播时，很难保持单光子的相位波前不变。
现在由于空分复用光纤技术的快速发展成本达到了一个可以接受的程度，因此可以利用空分复用光纤进行使用光场的空间模式进行高维量子密钥分发。
最先科学家们使用了一根300米长的4纤芯的光纤，使用一个反射式的变形镜作为相位调制器来实现高维量子密钥分发，这比之前使用空间光调制器的效果有所改善，这表明多芯光纤可以用于在远距离上的高保真量子传输。
另外一个实验也展示了使用4纤芯光纤成功的高维量子密钥分发通讯，而且接收者和发射者的部分完全集成在硅光子芯片上。
以上两个实验还进行了严格的安全性论证，发现可以在更加远距离的光纤上还可以实现正的密钥率。这表明多芯光纤可以通过不同的纤芯并行的分发密钥。
最近，通过环形纤芯光纤也被用于实现轨道角动量量子比特编码的远程量子密钥分发通讯。
图2 利用空分复用技术进行量子密钥分发的实验
传统的量子纠缠分发主要是通过偏振态、能量-时间/time-bin纠缠来实现的。而很少使用光子的空间模式进行纠缠分发，这主要是因为目前使用的多是单模光纤，只能支持基模传输，其次是光纤中不同模式之间存在严重串扰。
曾经有实验尝试使用30厘米长的光子晶体光纤进行量子纠缠分发，但是这种光纤由于成本过高因而并不适合远距离传输。
空分复用光纤的技术发展改变了这一情况，因为空分复用光纤的成本较低可以实现广泛的应用。使用空分复用光纤实现空间模式的量子纠缠可以实现更高维度的希尔伯特空间，已经有许多实验实现了这一点。
目前已经通过一根1公里长的少模光纤实现了不同空间模式下的偏振态和time-bin纠缠。
其次，还在一根1公里长的阶跃光纤上的实现了轨道角动量纠缠分发。
此外除了单纯的轨道角动量纠缠分发外，科学家还利用一根5米长的空芯光纤实现了偏振以及轨道角动量纠缠态的混合编码分发，这表明空分复用光纤完全可以实现混合高维纠缠分发。
图3 利用空分复用技术实现高维空间量子纠缠的实验
与传统电信网络之间的集成
实现量子通讯的广泛使用的一个主要方式是通过与传统光通信网络进行兼容。目前的一个重要手段就是将量子通讯网络与空分复用光网络进行兼容，这也是空分复用技术的一项重要优势。
现在已经在实验上实现了利用少模-多芯光纤中的不同纤芯进行传统数据以及量子密钥分发的同时传输。最开始实验上采用的是一根2米长的少模光纤来验证传统信道和量子信道的在同一根光纤上同时传输的可能性，实验获得了成功。
最新的研究成果是在7纤芯的多芯光纤上实的传统数据传输，同时将中心纤芯分配给量子密钥分发信道。
另外还有其他的一些工作研究了使用外侧纤芯来进行量子密钥分发，中心的纤芯则进行传统数据传输，多芯光纤上的经典通道产生的芯间串扰对连续可变量子密钥分发系统的影响以及对基于空分复用技术的量子密钥分发集成进行了详细的建模。
最后，通过在多芯光纤的37个纤芯上发送并行密钥，同时在每个纤芯内实现了高达10 Gbit s−1的数据流传输，即使用量子密钥分发信道进行波分复用，密钥生成速率得到了显著提高。
但是这项技术还存在着芯间串扰以及自发拉曼散射噪声等问题，这是急需解决的问题。
图4 通过空分复用技术实现量子密钥分发和传统数据传输的实验
未来的发展趋势与面临的挑战
量子信息领域对空分复用光纤和器件的接受速度非常快，到目前为止已经报道了一些比较不错的成果。
一方面，空分复用光纤实现了远距离操纵和传播高维量子态，这被证明对于量子信息处理技术的发展是非常有用的。
另一方面，它们在一些量子信息协议上的应用将简化基于空分复用光纤基础设施的量子通讯网络和传统光网络系统的集成。
目前空分复用技术已经可以用于支持“混合互联网”，即量子和传统通信系统在通讯空分复用光纤系统上共存。
空分复用量子信息技术依然面对着很多挑战：
一个是利用空分复用光纤实现更高维度的量子纠缠，目前的研究方向是通过少模光纤远距离传输线性偏振模式叠加态以及使用环形光纤和渐变折射率光纤传输高维轨道角动量。
另一个面临的挑战是不同信道波长之间的自发拉曼散射与四波混频的噪声干扰以及光纤中具有的模式色散。模式色散对于纠缠态来说可能还会是一个更为严重的问题。目前是通过在光纤中传输之前就预先进行色散补偿来减少这个问题的发生。但是要解决远距离传输上的问题，还需要进一步研究。
未来，空分复用网络将和量子信息系统之间实现高度的集成。其次空分复用技术将提供高效、高保真、高维的量子信息处理的器件，这将会是未来量子技术发展的主要基础。
申请转载，请加微信：447882024
往期推荐