华中师范学院数学与电子科学大学精密波谱科学与技术国家重点实验室荆杰泰院士团队近日在量子通讯以及量子精密检测领域连续取得重要进展量子纠缠 通讯，陆续发觉急剧提高量子纠缠容量和量子关联度的新方式，两项相关研究成果均发表于国际数学学刊物《物理评论快报》上。
▲荆杰泰院士实验团队合照
量子通讯研究
在量子通讯研究方面，荆杰泰院士团队借助光学轨道角动量这个自由度，在实验上实现了一种光学轨道角动量复用的连续变量量子纠缠体系。该成果以“---fromFour-WaveinHotVapor”为题，于2019年8月发表在英国数学学会的《物理评论快报》(123,(2019))上。
该论文以华中师范学院为第一完成单位，精密波谱科学与技术国家重点实验室的博士研究生潘晓州为论文第一作者，硕士研究生余胜、周延芬、吕树超以及博士研究生张昆、张凯、李思瑾、王伟都对论文有重要贡献，荆杰泰院长为论文的通信作者。
▲光学轨道角动量复用的连续变量纠缠系统示意图、13对量子纠缠判断以及光学轨道角动量守恒验证的相关实验结果
近些年来，量子通讯领域发展迅速，而量子纠缠是量子通讯中十分重要的量子资源。提升量子通讯体系中的纠缠容量，进而提升量子通讯的信道容量对于实现大尺度量子通讯网路至关重要。一方面，复用()是提升精典通讯系统信息承载能力的重要手段。而另一方面，光学轨道角动量()作为一个重要的数学量，导致了广泛的研究兴趣，因为光学轨道角动量具有无限带宽，螺旋波前等性质特性，早已被成功应用于精典光通信、光学操控微粒以及分离变量量子纠缠等领域。
荆杰泰院士团队把复用的概念和光学轨道角动量自由度相结合，并应用于连续变量纠缠体系，进而提出了一种通过复用光学轨道角动量的不同模式来大幅度降低连续变量量子通讯体系纠缠容量的方案，但是最终在实验上得以实现。
▲123,(2019)论文作者合照
在实验中，该团队借助热铷原子系综中的四波滤波过程形成了两个量子关联的双胞光束。在这两个双胞光束通道中，系统同时确定性地形成了13对两两纠缠的拉盖尔高斯(-)模式,
对应的光学轨道角动量拓扑荷数，Pr和Conj代表两个双胞光束通道。
该团队发展了基于LG模式的量子纠缠侦测方案，并借助这一侦测方案成功在实验上验证了这种对应模式之间的量子纠缠特点。同时该工作还验证了系统中
之间不存在量子纠缠,因而从连续变量体系的角度证明了在四波滤波过程中，非线性互相作用遵循光学轨道角动量守恒定理。据悉，该工作还研究了四波解调系统中三种不同类型的光轨道角动量相干叠加模式情况下的量子纠缠特点。
团队系统地研究了泵浦光场的腰斑半径大小对模式复用数量的影响，发觉复用数量随着泵浦腰斑的降低而有效降低。此研究首次提出了将光学轨道角动量复用的概念应用于连续变量量子体系，实现了光学轨道角动量复用的连续变量量子纠缠系统，因而大幅度提升了系统的量子纠缠容量。该工作为连续变量量子通讯研究提供了一个崭新的研究平台和思路。
量子精密检测研究
在量子精密检测研究方面，荆杰泰院士团队在实验上借助干涉()效应，在连续变量量子体系中实现了两光束间以量子压缩()表征的量子关联的提高。
该成果以“-inaTwo-beamPhase-”为题于2019年9月发表在《物理评论快报》(123,(2019))上。该论文同样以华中师范学院为第一完成单位，精密波谱科学与技术国家重点实验室的博士研究生刘胜帅和娄彦博为论文共同第一作者，荆杰泰院长为论文的通信作者。
▲双光束相敏放大器系统示意图、系统输出端的干涉白色以及干涉诱导的量子压缩提高实验结果
量子压缩是一种十分重要的非精典效应，它与量子化学中的“不确定性原理”密切相关，因而对于量子化学的基础研究具有重要的科学价值。同时量子压缩又可以急剧增加系统的量子噪音，因而明显提升系统的帧率和灵敏度，因而它又在量子精密检测当中具有重要的应用价值。诸如，量子压缩可以拿来增强激光干涉仪引力波天文台、原子磁力仪和光机磁力仪的灵敏度。
据悉，量子压缩还可以用于优化激光束定位、旋转角检测以及时间传递等。可以说量子压缩的压缩程度直接决定了它对化学系统性能的改善程度。为此，提高量子压缩对于量子精密检测至关重要的。
近几年，基于原子系综四波滤波过程的非相敏放大器被证明是形成量子压缩的一种特别有效的技巧。由该系统形成的量子压缩光束在量子成像、量子纠缠延后以及非线性干涉仪等领域得到了重要的应用。与此不同，该团队另辟蹊径，在实验上实现了借助相敏放大器中的干涉效应来提高量子压缩的方案。
▲123,(2019)论文作者合照
在实验中，该团队分别检测了相同实验条件下非相敏放大器和相敏放大器形成的硬度液位缩光束的量子关联。实验结果显示相敏放大器形成的关联光束的量子压缩度要明显优于非相敏放大器，并成功突破10dB。
研究发觉这些量子压缩的提高来始于理论预测中的一个干涉项，因而该团队在实验上详尽剖析了这一干涉项中系统增益、注入光硬度比列以及干涉相位点对量子压缩的调控作用，这种研究结果清晰地表明相敏放大器中的量子压缩提高来始于其内在的干涉本质。该工作是一种新的提高量子压缩的有效方式，因而在提升量子检测的精度方面具有潜在的应用价值。
第一作者都是博士研究生
量子通讯和量子精密检测是当前国际上量子信息技术发展中的两大重要领域，该研究团队在这两个方面连续取得了重要进展，是常年积累的结果。
荆杰泰院长常年从事量子光学、原子分子光化学方面的实验和理论研究，近些年来在基于原子系综量子光源的实验形成及其在量子通讯和量子精密检测的应用方面取得了系列研究成果。
相关成果陆续以通信作者身分发表在本领域国际重要学术刊物上，包括以及等，相关研究成果遭到多个国际国外同行研究组的系列引用。荆杰泰院长曾主持国家自然科学基金委重大研究计划重点支持项目，曾荣获教育部“新世纪优秀人才”、上海市“曙光学者”以及北京市“浦江人才”。
▲荆杰泰院士和实验团队成员
本次同刊发表的两篇论文，第一作者均是该团队的博士研究生。荆杰泰院士率领中学生步入当前国际上前沿的量子信息研究领域，鼓励她们积极参与国际学术交流活动，充分迸发出她们的研究兴趣，使她们常年保持强烈的研究热情。
“只有这样，中学生们在碰到科学或技术困局时才会攻坚克难，仍然坚持下去。”荆杰泰表示。截止目前量子纠缠 通讯，荆杰泰院士指导的研究生1人次获得2014年王大珩院校中学生光学奖、3人次获得北京市优秀结业生、8人次获得研究生国家奖学金。