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高维纠缠不仅能够实现比二维情况更多的比特编码，以增加量子信道上的通信容量，而且能够改善对噪声的鲁棒性。作为光子的一个新内禀自由度，轨道角动量（OAM）理论上具有无限维度，为解决光通信系统容量瓶颈问题提供了一条有效途径。2001年，物理学诺贝尔奖得主安东·塞林格教授等首次提出利用光子OAM实现了高维量子纠缠，其不仅可以大幅度增加光子的信息携带量，还可以提高量子密钥传输的安全性，而受到了广泛关注。然而，在光子OAM的实际应用中，其挑战之一是发展高效的高维OAM纠缠态表征方法。传统的全量子态层析是获取量子态所有信息的标准技术，但其在高维系统中变得不切实际，因其所需的测量次数随维度呈指数增长。因此，非常期待能够找到有效的方法，以尽可能少的测量来表征高维纠缠态，而不引入不必要的假设。

近日，南开大学物理科学学院李勇男教授研究组与南京大学王慧田教授合作，针对光子高维轨道角动量表征难题，提出了利用二维探测器实现快速非扫描的量子态层析方法，该研究成果以“Two-Measurement Tomography of High-Dimensional Orbital Angular Momentum Entanglement”为题发表在《Physical Review Letters 》上。 其核心思想是用二维阵列探测器取代传统的单像素探测器，基于干涉原理并结合傅里叶变换，从二维量子符合计数中解调出高维量子信息。该方法的特点是非扫描且与维度无关，对于任意维双光子OAM纠缠态，仅需两次测量即可实现高保真度的密度矩阵重构。该思想还可以拓展到其它空间模式纠缠、多光子纠缠及混合态纠缠等，为实现大容量量子通信和量子过程层析奠定了基础。未来与机器学习结合，将会为复杂情况下，如大气和光纤中的高维光量子信息应用提供更多有趣且高效的测量思路。

图：高效光子轨道角动量纠缠表征方法示意图

本工作南开大学为第一完成单位，南开大学本科毕业生李逸和博士毕业生黄双印为共同第一作者，南开大学李勇男教授和南京大学王慧田教授为共同通讯作者。此项工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。