量子通信研究首次实现 高保真度32维量子纠缠态

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记者从中国科学技术大学获悉,该校郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展,团队中的李传锋、柳必恒研究组与奧地利科学院马库斯·胡贝尔教授研究组合作,首次实现了高保真度的32维量子纠缠态。

相比0和1的2维系统,高维量子纠缠态在信道容量上有着巨大优势。然而要实现这一优势,必须要实现高保真度高维量子纠缠态的制备、传输与测量。此前人们广泛采用轨道角动量、时间或频率自由度进行编码,但还没能很好地解决高维量子纠缠态的制备、传输与测量问题。

李传锋、柳必恒等科研人员另辟蹊径,自2016年以来开始采用光子的路径自由度编码并取得一系列突破,包括制备出高保真的三维纠缠态、演示出超越二位信道容量极限的量子密集编码等。现在,科研人员又采用商用多芯光纤解决高维纠缠的传输问题,实现了4维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输。

然而,随着维度数的增加,量子系统的复杂度及操控与测量难度都急剧提高。“1个比特可以携带2维信息,5个比特就可以携带2的5次方——也就是32维的信息。信道的容量暴增,但信息准确率却更难保证了,失真率大大增加。”李传锋说。

为解决这些问题,李传锋、柳必恒研究组在实验上设计出紧凑的光学分束器来实现分束与合束,并采用空间光调制器精确地对每一束光进行强度和相位调制。他们与奧地利科学院马库斯·胡贝尔教授研究组合作,理论上给出了一种高效的高维纠缠态认证方法。对于一个32维的纠缠态,完整的量子态层析技术需要进行100万次测量才能确定量子态的信息,而这种新方法只需要1000次测量即可完成。

通过实验,研究组实现了32维的量子纠缠态,并测定其保真度为0.933。在保持高保真度的情况下,创造了量子纠缠态的维度数新世界纪录。国际知名学术期刊《物理评论快报》于8月28日发表了该成果。

李传锋介绍,这个研究进展显著提高了量子通信的信道容量,同时为研究高维系统下的量子物理基本问题打下重要基础。