印度的研究人员表明，当光子从源头传播开时，在某个连续变量基础上的光子纠缠会自行恢复。这一发现可能对长距离安全传输量子信息和湍流介质中的量子成像有用。
物理学家正在广泛探索光子之间的量子纠缠，通常是为了开发用于计算、通信、传感和成像的新量子技术。一些潜在的应用需要在长距离或通过湍流环境的情况下无损失地发送纠缠光子。然而，目前在这种情况下保持某些类型的纠缠非常棘手——成功取决于许多因素，包括量子信息如何在光子中编码。
现在，印度坎普尔理工学院量子光学与纠缠实验室的Anand Jha及其同事提供了一种可能的解决方案，即利用光子的角位置对信息进行编码。他们观察到，纠缠似乎随着光子传播而消失，但随后又奇怪地重新出现。他们还表明，即使在光子穿过通常会破坏纠缠的湍流空气之后，纠缠也会重新出现。他们在Science Advances中描述了他们的研究。
光子纠缠
光子具有许多不同的自由度，可用于对量子信息进行编码。选择取决于必须编码的信息类型。对于量子位，可以使用光子的偏振或轨道角动量等离散属性。但有时，尤其是出于传感和成像目的，以更连续的方式对量子信息进行编码会更好。在此类应用中，探索最多的纠缠属性（或“基础”）是由其笛卡尔坐标给出的光子位置。
量子纠缠现象赋予粒子比经典物理学所允许的更紧密的关系，并且与使用哪个特定基础来编码量子信息无关。然而，在实验中使用或测量纠缠的方式可能与基础无关。这适用于纠缠“见证”，这是一个确定系统是否纠缠的数学量。对于连续基，证人依赖于基，这种依赖意味着某些类型的连续纠缠比其他类型更有用。
对于位置动量基础，通过目击者可以看出，随着光子从其源传播开，纠缠会很快消失。为了解决这个问题，科学家们通常对光源本身进行成像，以利用光子之间的纠缠。路径中的任何湍流也会迅速破坏纠缠，需要像自适应光学这样的复杂解决方案来恢复它。这些额外的校正步骤限制了这些纠缠光子的效用。
Jha 及其同事的这项最新研究探索了如何通过使用密切相关的替代基础——光子的角位置来保持纠缠。
生成、丢失和恢复纠缠
在他们的实验中，研究人员通过将来自高功率“泵浦”激光器的光发送到非线性晶体中来产生纠缠光子。在光子能量和动量守恒的条件下，一个泵浦光子将在称为自发参量下转换 (SPDC) 的过程中产生两个纠缠光子。这两个光子在它们的所有属性中都纠缠在一起。例如，如果在一个位置检测到一个光子，则会自动确定另一个纠缠光子的位置。其他量也存在相关性，例如动量、角位置和轨道角动量。
研究人员在没有采取任何纠正措施的情况下通过目击者观察到，光子之间的位置纠缠在传播约 4 厘米后消失。另一方面，角位置纠缠发生了一些有趣的事情。它在传播约 5 厘米后消失，但在光子又传播了 20 厘米后，纠缠再次出现（见图）。研究人员用数值模型定性地证实了他们的实验结果。
蒸馏法加强了一对光子中的量子纠缠
当团队在纠缠光子的路径上创造一个湍流环境时，观察到了同样的趋势。这是通过使用吹风加热器来搅动空气并改变其折射率来完成的。在这种情况下，在光传播了大约 45 厘米的较长距离后，纠缠又恢复了。
目前还不完全清楚是什么原因导致角位置基础上的纠缠重新出现。基础是特殊的，因为它在一个完整的圆圈后环绕。根据 Jha 的说法，这是其与众不同的因素之一。
尽管这项研究证明了在不到一米的距离内的稳健性，但 Jha 和他的同事声称，在千米距离内也有可能恢复。这可以在不破坏纠缠的情况下通过大气湍流传输量子信息。通过湍流的稳健性还可以允许在模糊生化环境中以最小的入侵或破坏对物体进行量子成像。
