基于空分复用光纤的量子信息处理技术

瑞典Linköpings Universitet两位学者近期在Nature旗下的《 Communications Physics 》杂志对基于空分复用光纤的量子信息处理技术的原理应用、以及与传统电信网络的集成和未来发展趋势进行了探讨。

 

空分复用技术

空分复用光纤

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。

复用器与解复用器

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两种应用

高维量子密钥分发

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。

量子纠缠分发

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。

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。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s42005-019-0269-7

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