最近，我校计算机科学与技术系陈力军教授课题组在量子通信领域取得系列重要进展，提出了基于Spin Angular Momentum (SAM) 和Orbital Angular Momentum (OAM)的高维量子路由，上述研究结果为高纬度的广域量子通信网络的实现奠定了坚实的基础。

（1）量子路由是量子网络中的必要器件。不同于经典网络路由的“存储-转发”方式，量子的不可克隆和消相干等特性使得存储量子态是一项很难实现的技术，因此经典网络路由的方法不能适用于量子通信网络。课题组人员利用无干扰测量和量子点技术提出了一种完全量子路由，该量子路由根据控制电子的叠加量子态将量子信号传输到不同的输出端口（如图1.a和1.b所示）。此外，该方案不仅可以适用于仅携带SAM或者OAM，还可以适用于同时携带SAM和OAM的单光子比特（如图1.c所示）。课题组人员使用串联的方式将简单的1-2量子路由扩展到1-n的多级量子路由（如图1.d所示）。研究结果表明，根据不同的电子控制态，量子信号可以在不破坏量子态的基础上传输到正确的输出端口（如图2所示）。有关结果发表在【Scientific Reports, 6, 27033(2016)】。

图1a

图1b

图1c

图1d

图1. (a) 适用于仅携带自旋角动量SAM光子的量子路由；(b) 适用于仅携带轨道角动量OAM光子的高维量子路由；(c) 适用于同时携带SAM和OAM光子的高维量子路由；(d) 适用于同时携带SAM和OAM光子的多级高维量子路由。SAM/OAM phase gate可以改变不同路径上叠加态的相位差，从而使得Mach-Zehnder干涉仪根据不同的相位差将光子传输至不同的输出端口。

图2. (a)量子路由对同时携带SAM和OAM的单光子作用成功概率；(b)多级量子路由的成功概率。

（2）反事实量子通信可以在量子信道上不传输任何量子信号的前提下完成通信任务，从而进一步提高了量子通信的安全性。课题组人员提出了一种实现多方纠缠分发的反事实方案。首先，使用双方反事实纠缠分发得到光子-电子纠缠对，再利用原子微腔系统得到光子-光子纠缠对，这些光子-光子纠缠对利用纠缠分束器连接光子-电子纠缠对，通过单光子的相互交换，从而得到多方的电子纠缠，如图3所示。有关结果发表在【JOSA B, 33(4): 663-669 (2016)】。

图3. 多方纠缠分发的效率

（3）课题组人员提出了两种实现三方纠缠分发的反事实方案，一种方案是使用光开关将三方分别与吸收物质进行干涉，利用“链式”量子芝诺效应，三方以完整的反事实干涉概率完成纠缠分发任务，另一种方案是使用Michelson-type干涉仪交换两对纠缠态，从而使得三方的光子处于纠缠态，另外，由于方案中使用的两个吸收物质相距很远，该方案使得可实现的纠缠分发距离加倍，如图4所示。有关结果发表在【 Optics express, 23(16): 21193-21203 (2015)】。

图4. “链式”量子芝诺效应的参数影响

该研究工作得到了国家科技支撑计划、国家自然科学基金、江苏省科技支撑计划和中央高校基础科研业务费等项目的资助。

（计算机科学与技术系 科学技术处）