[论文解读] Single-photon entanglement generation by wavefront shaping in a multiple-scattering medium

Hugo Defienne, Marco Barbieri+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2014

Random lasers and scattering media参考文献 31被引用 11

一句话总结

本论文展示了通过在多散射介质中使用波前整形技术，实现跨空间模式的单光子纠缠的受控生成。通过完全表征散射矩阵，作者对入射光子的波前进行整形，以相干方式将其引导至特定输出模式，实验验证了纠缠的存在，保真度下限为 (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵，尽管符合计数极少，仍以 99% 的置信度确认了非零纠缠。

ABSTRACT

We demonstrate the control of entanglement of a single photon between several spatial modes propagating through a strongly scattering medium. Measurement of the scattering matrix allows the wavefront of the photon to be shaped to compensate the distortions induced by multiple scattering events. The photon can thus be directed coherently to a single or multi-mode output. Using this approach we show how entanglement across different modes can be manipulated despite the enormous wavefront disturbance caused by the scattering medium.

研究动机与目标

• 探索利用多散射介质作为可扩展、高模态数量的量子信息处理平台。
• 克服多散射引起的波前畸变问题，同时保持单光子的量子相干性。
• 利用完整的散射矩阵知识，实现对多个空间模式中单光子态的相干控制。
• 在单光子通过无序介质传播后，实现并验证其两个输出模式之间的纠缠。
• 建立一种可扩展的替代方案，以替代基于干涉仪或光子晶格的方法，用于生成多模量子纠缠态。

提出的方法

• 使用平均自由程为 1–2 µm 的二氧化钛 (TiO₂) 纳米颗粒组成的散射介质，诱导复杂的多散射效应。
• 利用经典强光源和空间光调制器 (SLM) 控制输入波前，完全表征介质的散射矩阵 (SM)。
• 将从 SM 推导出的相位图案编程至 SLM，以整形后产生的单光子的波前，实现对特定输出模式的定向传输。
• 通过光纤分束器合并输出模式并测量单光子干涉条纹，条纹可见度为 0.78 ± 0.04。
• 利用三重符合探测执行量子态层析，以重建输出态的约化密度矩阵。
• 从密度矩阵计算出作为两体纠缠度量的 concurrence，以量化纠缠程度，其下限为 (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用多散射介质中的波前整形技术，实现对多个空间模式中单光子态的相干控制？
• RQ2 在高度多模的散射环境中，量子相干性和纠缠能被保持到何种程度？
• RQ3 是否可能在无需迭代反馈的情况下，生成并验证单光子两个输出模式之间的纠缠？
• RQ4 该散射介质能否作为可扩展的、高维模态转换器用于量子信息处理？
• RQ5 当仅记录到一次三重符合事件时，检测非零纠缠的置信度水平是多少？

主要发现

• 实验在单光子干涉条纹中实现了 0.78 ± 0.04 的可见度，证实了对光子路径的相干控制。
• 输出态的约化密度矩阵被重建，其对角元为 P₀₀ = 1 − 8.4 × 10⁻⁵，P₁₁ = 1/(1.1 × 10¹⁰)，非对角元 |d| = (3.3 ± 0.6) × 10⁻⁵。
• 所生成态的 concurrence 计算值为 (4.6 ± 1.2) × 10⁻⁵，提供了纠缠的严格下限。
• 在 3 小时采集过程中仅记录到一次三重符合事件，但正 concurrence 的置信度估计为 99%，证实了非零纠缠的存在。
• 该系统表明，利用基于完整 SM 知识的波前整形，单光子可被相干地分布在散射介质中的两个空间模式上。
• 结果表明，多散射介质可能实现 N 模态纠缠态的可扩展生成，潜在模态数可达 10⁴，为复杂干涉仪系统提供了一种替代方案。