空芯光纤中量子相关结构光的传输

非经典关联在光纤中的分布是未来量子网络的关键。事实上，基于纠缠系统的纯量子协议可以揭示通信优势，而这些优势是通过经典资源可以实现的。在这种情况下，一个关键的具有挑战性的任务是通过保持光子状态的量子相关性来实现光子状态的长距离传输。在过去的几年里，已经进行了几次演示，展示了偏振纠缠光子的长距离传输。进一步的改进可以通过处理和分布高维系统来公开，从而扩大信息内容并提高量子密码协议的安全性。

在光的不同自由度中，轨道角动量是一个很有前途的方向，因为它可以在更高维度上对量子态进行编码，并可用于产生混合纠缠系统(即不同自由度之间的纠缠)。矢量涡旋光束就是这种混合态的一个相关例子，它的特殊性质在于偏振与同一光子的空间分布之间的量子关联。然而，这种状态在长距离量子通信协议中的应用还很有限。事实上，基于光纤的偏振编码态的传输是一个既定的任务，而具有复杂空间分布的光的传输需要特殊技术和光纤的发展来完成。带轨道角动量的量子态光纤传输是一个较新的研究领域，关于光纤传输后保持混合纠缠态的实验研究还很缺乏。

来自罗马大学和丹麦技术大学一个国际研究小组最近提供了在这个方向上进一步的研究成果。他们展示了专门设计的空心光纤再通讯波段混合向量涡旋偏振纠缠光子对允许轨道角动量的传播的的能力。在这种情况下，光子的偏振与第二个光子的矢量涡旋状态纠缠在一起，后者通过空心光纤发送和传输。量子态层析成像在极化轨道角动量空间中证明了分布纠缠态的高可靠性。违反贝尔不等式证明了光纤传输后量子关联的守恒性。

此外，由于两个光子的状态涉及到以多个自由度编码的三个不同的量子位，因此作者能够打破三重不平等。这种观察到的三方关联由上下文(系统内)和非局部(系统间)纠缠产生。

所获得的结果构成了未来混合纠缠的基础，包括极化和轨道角动量，以及通过适当设计的光纤来保持这些自由度的相关性的高维量子态。该方法的可扩展性扩大了复杂光态传输的适用范围。这包括在量子网络中采用高维纠缠，在更长的量子相关光子距离中使用光纤分布，以及在集成电路中使用光纤来支持轨道角动量的传播。