撰稿 | 蔡淼
近日，来自加拿大滑铁卢大学的Thomas Jennewein和Shihan Sajeed报道了一种可以从自由空间中的散射光子中获取量子相干信息的方法。此方法突破了传统相干测量中无法观测散射光子的相干性的局限，对光量子信息领域的研究具有突破性的意义，并且揭示了散射光子用于量子传感，成像与通信的广阔应用前景。
量子相干性（Quantum coherence）是量子力学领域许多基本应用的关键要素，利用光子的量子相干性，就可以实现基于光子的量子通信，量子隐形传态以及量子计算等重要的应用，其中一个主要的方向就是通过自由空间实现光量子信息传输。由于光子的偏振态不受大气湍流的影响，因此用于自由空间光子的主要量子编码方式就是用偏振态进行编码，这种方案可以实现清晰的视距传输。
然而，当自由空间量子通道中的光子发生散射时，它们的偏振态会受到干扰，这会导致量子编码的退化。已有的研究表明，对经过散射后的光子，其偏振保真的效率完全取决于散射表面的材料性质。而即使是最好的散射表面材料，也极大的受到光子散射角的影响，一般而言，只有小于45°的总散射角度才能够被用于量子通信。
为了解决散射带来的问题，学者们提出了自由空间量子信道中的time-bin编码，这种编码方式广泛用于单模光纤中，已有的实验则实现了直接视距自由空间量子信道中的time-bin编码方案，但还没有任何实验证明time-bin编码方案可以用于非视距的自由空间量子信道。相比于直接视距自由空间量子信道，非视距的自由空间量子信道能够极大的扩展量子技术的应用面，比如实现多个用户之间的非视距自由空间量子通信，或信源与移动系统的短距离链接等等，具有极其重要的应用价值。
本研究在自由空间的time-bin量子信道编码方案的基础上，利用具有约120ps的高时间精度的单光子探测器阵列（single-photon-detector-array,SPDA）搭建了可以在散射情况下，也即非视距自由空间中的time-bin干涉仪，其基本实验装置示意图与细节如图一与图二所示。
本研究所设计的实验方案使SPDA上的每个像素都具有完全检测相干性的功能，并能够解析散射光子的空间模式。在实验中，散射表面的旋转角度被设置为20°，实验结果显示，尽管每个像素接收到的都是一组不同的入射光空间模式，但是即使在经历漫散射之后，空间模式仍然成功的保留了相位信息，并且每个像素都可以独立的从散射光子中成功恢复出相位信息（图三，图四）。实验也对不同的旋转角进行了验证，结果都证实了该实验方案的稳健性。
本研究所提出的实验方案成功实现了对散射光子的相干性的重建，这意味着基于光子的量子信息传输在非视距的自由空间信道中也得到了实现，这对于量子信息技术的发展以及应用都有着重大的意义，也为此后的研究开辟了崭新的道路。
图一：实验方案装置示意图。激光器发出的光脉冲首先经过相位转换器以生成time-bin态，而多模分析仪则对经过散射表面散射之后的信号进行探测（散射表面材料用的是普通白纸）。在实验光路的最后，用单光子探测器阵列作为探测装置，具有8*8的独立像素，每个像素分别带有各自的时间戳。初始设置的入射角与反射角均为25度。
图二：实验装置。转换器（Converter）产生两个间隔0.6ns的脉冲。两个短-长 (SL) 和长-短 (LS) 脉冲之间的路径差可以使用放置在短臂中的压电致动器（Piezoelectric actuator）进行调整。两个干涉仪的长臂中都置有一个玻璃立方体，以使干涉仪在空间域中保持平衡。分析仪（Analyzer）对来自SL和LS路径的脉冲进行重新组合，并输出到8*8的单光子探测器阵列中进行分析。在整个系统的初始时刻，入射角为𝜃 = 25°。
图三：观测到的干涉现象。左上方图表：[4,4]处像素上探测到光子的时间的柱状分布图。图中三个分立的峰值分别对应于来自三个不同的路径的光子。五行图表分别对应采用了不同的相位的情况。通过曲线拟合可以计算出该像素的可见度V(4,4)约为0.95。右上方图表：在相应相位实例的不同像素处的中间峰值强度。底部图表：通过曲线拟合计算得到的每个像素的可见度，计算所得可见度的范围为0.9-0.95，在图中用像素方格的颜色于对应的图例进行了展示。[1,1]处的像素用作触发器，时间精度约为120ps。
图四：不同位置像素处的散射光可见度以及相干性。a)通过旋转以P点为中心的散射表面，可以改变入射角θ，实验在保证激光器与探测器位置不变的情况下，对入射角进行改变，旋转角φ从-45°角变化到45°角。b)随着旋转角度变化的可见度与强度曲线。途中φ=0°对应于入射角θ=25°。对于超出±45°角范围的旋转角，探测器所能够收集到的光子数量无法达到足够的数量。图中左轴标注的是每个旋转角对应的平均强度。每个数据点对应的采集时长为20秒。c)不同的被照亮的像素点处的光子数量关于相位转换器所采用的相位的变化曲线。[1,1]处的像素用作触发。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Observing quantum coherence from photons scattered in free-space”。
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https://doi.org/10.1038/s41377-021-00565-y
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