高維糾纏實(shí)現(xiàn)高效量子隨機(jī)通信研究獲進(jìn)展
| 來(lái)源: 【字號(hào):大 中 小】
近日,中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)柳必恒研究組等,提出基于“隨機(jī)存取碼”的隨機(jī)通信框架,在高維量子光學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高成功率的隨機(jī)通信,并給出具有噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方案。
量子通信被認(rèn)為是未來(lái)信息科學(xué)的重要支柱,能夠突破經(jīng)典通信的性能極限,實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的信息傳輸。但是,在高維量子系統(tǒng)中充分釋放量子優(yōu)勢(shì),通常依賴復(fù)雜的高維量子門(mén)操作和糾纏測(cè)量,在光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這些操作極具挑戰(zhàn)。目前,實(shí)驗(yàn)研究聚焦于二維或低維系統(tǒng),高維糾纏的潛力未得到充分發(fā)揮,這影響量子密鑰分發(fā)、隨機(jī)數(shù)生成等前沿應(yīng)用的推進(jìn),阻礙量子網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。因此,在不依賴復(fù)雜糾纏測(cè)量和多光子輔助的前提下,實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的高維量子通信,成為亟待解決的核心科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)高維糾纏測(cè)量難題,研究團(tuán)隊(duì)基于隨機(jī)存取碼,構(gòu)建出一種隨機(jī)通信協(xié)議。在共享n維糾纏的基礎(chǔ)上,發(fā)送端僅通過(guò)高維移位操作與相位門(mén)(X、Z)對(duì)單光子編碼兩位信息x1x2;接收端無(wú)需執(zhí)行糾纏測(cè)量,而是根據(jù)通信需求分別對(duì)兩粒子實(shí)施Z?Z或X?X的單粒子測(cè)量。理論上,這一方案能夠以確定性成功率S=1解碼x1或x2。進(jìn)一步,團(tuán)隊(duì)對(duì)共享糾纏的維度進(jìn)行認(rèn)證發(fā)現(xiàn),該方法具備良好的噪聲魯棒性。
在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面,團(tuán)隊(duì)采用路徑和偏振自由度混合編碼構(gòu)建八維子空間,提高了高維移位操作和構(gòu)建高維測(cè)量的效率,展示出優(yōu)越的可擴(kuò)展性?;诠蚕淼陌司S糾纏,通過(guò)全出口高維測(cè)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送方編碼信息的隨機(jī)解碼。實(shí)驗(yàn)測(cè)得成功率S=0.9729±0.0001,超過(guò)七維糾纏所達(dá)到的理論成功率上界0.9677,認(rèn)證了所共享的糾纏態(tài)維度不低于八維。
這一研究規(guī)避了高維系統(tǒng)中復(fù)雜的糾纏測(cè)量操作,凸顯了高維量子通信的優(yōu)勢(shì),消除了長(zhǎng)期制約高維量子實(shí)驗(yàn)發(fā)展的技術(shù)瓶頸,提供了一條可擴(kuò)展、高噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方法。同時(shí),實(shí)驗(yàn)采用的“路徑+偏振”混合自編碼方案,具有良好的可擴(kuò)展性以及與城際光纖的兼容性,為未來(lái)高維量子通信的實(shí)用化和長(zhǎng)距離分發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
9月17日,相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

基于隨機(jī)存取碼的通信框架

基于路徑-偏振自由度編碼的八維全出口測(cè)量量子光學(xué)平臺(tái)

隨即通信協(xié)議實(shí)驗(yàn)結(jié)果
© 1996 - 中國(guó)科學(xué)院 版權(quán)所有
京ICP備05002857號(hào)-1 京公網(wǎng)安備110402500047號(hào) 網(wǎng)站標(biāo)識(shí)碼bm48000016
