高維糾纏不僅能夠實現比二維情況更多的比特編碼，以增加量子信道上的通信容量，而且能夠改善對噪聲的魯棒性。作為光子的一個新內稟自由度，軌道角動量（OAM）理論上具有無限維度，為解決光通信係統容量瓶頸問題提供了一條有效途徑。2001年，物理學諾貝爾獎得主安東·塞林格教授等首次提出利用光子OAM實現了高維量子糾纏，其不僅可以大幅度增加光子的信息攜帶量，還可以提高量子密鑰傳輸的安全性，而受到了廣泛關注。然而，在光子OAM的實際應用中，其挑戰之一是發展高效的高維OAM糾纏態表征方法。傳統的全量子態層析是獲取量子態所有信息的標準技術，但其在高維係統中變得不切實際，因其所需的測量次數隨維度呈指數增長。因此，非常期待能夠找到有效的方法，以盡可能少的測量來表征高維糾纏態，而不引入不必要的假設。

　　近日，南開大學物理科學學院李勇男教授研究組與南京大學王慧田教授合作，針對光子高維軌道角動量表征難題，提出了利用二維探測器實現快速非掃描的量子態層析方法，該研究成果以“Two-Measurement Tomography of High-Dimensional Orbital Angular Momentum Entanglement”為題發表在《Physical Review Letters 》上。 其核心思想是用二維陣列探測器取代傳統的單像素探測器，基於幹涉原理並結合傅裏葉變換，從二維量子符合計數中解調出高維量子信息。該方法的特點是非掃描且與維度無關，對於任意維雙光子OAM糾纏態，僅需兩次測量即可實現高保真度的密度矩陣重構。該思想還可以拓展到其它空間模式糾纏、多光子糾纏及混合態糾纏等，為實現大容量量子通信和量子過程層析奠定了基礎。未來與機器學習結合，將會為複雜情況下，如大氣和光纖中的高維光量子信息應用提供更多有趣且高效的測量思路。

圖：高效光子軌道角動量糾纏表征方法示意圖

　　本工作南開大學為第一完成單位，南開大學本科畢業生李逸和博士畢業生黃雙印為共同第一作者，南開大學李勇男教授和南京大學王慧田教授為共同通訊作者。此項工作得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目資助。