任意自由度一次测量全恢复：单一测量装置下的单光子态层析
量子物理
2026-04-30 v3
摘要
光子量子技术利用光的多种自由度（DOFs），如偏振、频率和空间模式，来编码量子信息。为了进一步提高量子通信的信道容量，并增加可用量子操作的复杂性，高维和超纠缠态正日益受到关注。然而，由于通过量子态层析（QST）重建完整密度矩阵需要大量测量，且每次测量都需要对实验装置进行某些修改，因此高效测量这些高维态具有挑战性。在此，我们提出了一个框架，利用可从传统相机获得的单次强度测量，重建跨越多个 DOFs 的单光子超纠缠态的密度矩阵，并讨论了向多光子超纠缠态的扩展。我们的方法以光子的空间 DOF 为核心，并利用它来编码来自其他 DOFs 的量子信息。我们使用理想耦合器和多模光纤对单光子 OAM-自旋和 OAM-频率纠缠态对该方法进行了数值演示，以执行信息混合并将编码转移到可由简单相机检测的空间信息中。与传统的基于 QST 的方法相比，该技术简化了实验装置并缩短了采集时间。此外，它允许恢复传统相机无法检测的 DOFs（如偏振），从而消除了对投影测量的需求。
引用
@article{arxiv.2512.22869,
title = {Any DOF All at Once: Single Photon State Tomography in a Single Measurement Setup},
author = {Roey Shafran and Ron Ziv and Mordechai Segev},
journal= {arXiv preprint arXiv:2512.22869},
year = {2026}
}