Dense coding is arguably the protocol that launched the field of quantum communication. Today, however, more than a decade after its initial experimental realization, the channel capacity remains fundamentally limited as conceived for photons using linear elements. Bob can only send to Alice three of four potential messages owing to the impossibility of carrying out the deterministic discrimination of all four Bell states with linear optics, reducing the attainable channel capacity from 2 to log_2 3 \approx 1.585 bits. However, entanglement in an extra degree of freedom enables the complete and deterministic discrimination of all Bell states. Using pairs of photons simultaneously entangled in spin and orbital angular momentum, we demonstrate the quantum advantage of the ancillary entanglement. In particular, we describe a dense-coding experiment with the largest reported channel capacity and, to our knowledge, the first to break the conventional linear-optics threshold. Our encoding is suited for quantum communication without alignment and satellite communication.

The degree to which a pure quantum state is entangled can be characterized by the distance or angle to the nearest unentangled state. This geometric measure of entanglement, already present in a number of settings (see Shimony 1995 and Barnum and Linden 2001), is explored for bipartite and multipartite pure and mixed states. The measure is determined analytically for arbitrary two-qubit mixed states and for generalized Werner and isotropic states, and is also applied to certain multipartite mixed states. In particular, a detailed analysis is given for arbitrary mixtures of three-qubit GHZ, W and inverted-W states. Along the way, we point out connections of the geometric measure of entanglement with entanglement witnesses and with the Hartree approximation method.

Quantum teleportation faces increasingly demanding requirements for transmitting large or even entangled systems. However, knowledge of the state to be transmitted eases its reconstruction, resulting in a protocol known as remote state preparation. A number of experimental demonstrations to date have been restricted to single-qubit systems. We report the remote preparation of two-qubit ``hybrid'' entangled states, including a family of vector-polarization beams. Our single-photon states are encoded in the photon spin and orbital angular momentum. We reconstruct the states by spin-orbit state tomography and transverse polarization tomography. The high fidelities achieved for the vector-polarization states opens the door to optimal coupling of down-converted photons to other physical systems, such as an atom, as required for scalable quantum networks, or plasmons in photonic nanostructures.

A powerful tool emerging from the study of many-body quantum dynamics is that of dual-unitary circuits, which are unitary even when read "sideways," i.e., along the spatial direction. Here, we show that this provides the ideal framework to understand and expand on the notion of measurement-based quantum computation (MBQC). In particular, applying a dual-unitary circuit to a many-body state followed by appropriate measurements effectively implements quantum computation in the spatial direction. We show how the dual-unitary dynamics generated by the dynamics of the paradigmatic one-dimensional kicked Ising chain with certain parameter choices generate resource states for universal deterministic MBQC. Specifically, after k time steps, equivalent to a depth-k quantum circuit, we obtain a resource state for universal MBQC on ∼3k/4 encoded qubits. Our protocol allows generic quantum circuits to be "rotated" in space-time and gives new ways to exchange between resources like qubit number and coherence time in quantum computers. Beyond the practical advantages, we also interpret the dual-unitary evolution as generating an infinite sequence of new symmetry-protected topological phases with spatially modulated symmetries, which gives a vast generalization of the well-studied one-dimensional cluster state and shows that our protocol is robust to symmetry-respecting deformations.

National data have shown the need to expand and diversify the talent pool of the quantum technologies workforce. This article describes a newly designed 25-h summer quantum information science and technology (QIST) program for high school students in grades 10–12; the goal is to advance physical science literacy and diversify the STEM pipeline through novel quantum science and quantum computing access and learning. This partnership between Stony Brook University and the New York Hall of Science was designed by quantum physicists and physics education researchers. This manuscript describes the rationale and progression of quantum ideas and computing skills introduced in the outreach program. The program design scaffolded physics, mathematics, and computer science concepts to engage high school students in the excitement of quantum information science and technology fields. The disciplinary content included the limitations of classical computing, classical and quantum physics principles (diffraction, polarization, wave-particle duality), the Mach–Zehnder interferometer, superposition, quantum thought experiments (Schrödinger's cat and Wigner's friend), entanglement and Bell's inequality, quantum key distribution, and basic quantum computing skills. Students also spent time visiting laboratories and museum exhibits and learning about academic progressions and career pathways in quantum technologies. This university-based science outreach model may be replicated by other quantum educators and adapted for learning in formal contexts.

We give an explicit operator representation (via a sequential circuit and projection to symmetry subspaces) of Kramers-Wannier duality transformation in higher-dimensional subsystem symmetric models, generalizing the construction in the 1D transverse-field Ising model. Using the Kramers-Wannier duality operator, we also construct the Kennedy-Tasaki transformation that maps subsystem symmetry-protected topological phases to spontaneous subsystem symmetry-breaking phases, where the symmetry group for the former is either ${\mathbb{Z}}_{2}\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{\mathbb{Z}}_{2}$ or ${\mathbb{Z}}_{2}$. This also generalizes the recently proposed picture of the one-dimensional Kennedy-Tasaki transformation as a composition of manipulations involving gauging and stacking symmetry-protected topological phases to higher dimensions.

In quantum many-body spin systems, the interplay between the entangling effect of multiqubit Pauli measurements and the disentangling effect of single-qubit Pauli measurements may give rise to two competing effects. By introducing a randomized measurement pattern with such bases, a phase transition can be induced by altering the ratio between them. In this work, we numerically investigate a measurement-based model associated with the $(2+1)\mathrm{D}\phantom{\rule{4pt}{0ex}}{\mathbb{Z}}_{2}$ Fradkin-Shenker Hamiltonian that encompasses the deconfining, confining, and Higgs phases. We determine the phase diagram in our measurement-only model by employing entanglement measures. For the bulk topological order, we use the topological entanglement entropy. We also use the mutual information between separated boundary regions to diagnose the boundary phase transition associated with the Higgs or the bulk symmetry-protected topological (SPT) phase. We observe the structural similarity between our phase diagram and the one in the standard quantum Hamiltonian formulation of the Fradkin-Shenker model with the open rough boundary. First, a deconfining phase is detected by nonzero and constant topological entanglement entropy. Second, we find a (boundary) phase transition curve separating the Higgs=SPT phase from the rest. In certain limits, the topological phase transitions reside at the critical point of the formation of giant homological cycles in the bulk three-dimensional (3D) space-time lattice, as well as the bond percolation threshold of the boundary 2D space-time lattice when it is effectively decoupled from the bulk. Additionally, there are analogous mixed-phase properties at a certain region of the phase diagram, emerging from how we terminate the measurement-based procedure. Our findings pave an alternative pathway to study the physics of Higgs=SPT phases on quantum devices in the near future.