量子通信研究首次實現(xiàn)高保真度32維量子糾纏態(tài) 發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團(tuán)隊在高維量子通信研究中取得重要進(jìn)展，團(tuán)隊中的李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利科學(xué)院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，首次實現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)。

相比0和1的2維系統(tǒng)，高維量子糾纏態(tài)在信道容量上有著巨大優(yōu)勢。然而要實現(xiàn)這一優(yōu)勢，必須要實現(xiàn)高保真度高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量。此前人們廣泛采用軌道角動量、時間或頻率自由度進(jìn)行編碼，但還沒能很好地解決高維量子糾纏態(tài)的制備、傳輸與測量問題。

李傳鋒、柳必恒等科研人員另辟蹊徑，自2016年以來開始采用光子的路徑自由度編碼并取得一系列突破，包括制備出高保真的三維糾纏態(tài)、演示出超越二位信道容量極限的量子密集編碼等。現(xiàn)在，科研人員又采用商用多芯光纖解決高維糾纏的傳輸問題，實現(xiàn)了4維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸。

然而，隨著維度數(shù)的增加，量子系統(tǒng)的復(fù)雜度及操控與測量難度都急劇提高。“1個比特可以攜帶2維信息，5個比特就可以攜帶2的5次方——也就是32維的信息。信道的容量暴增，但信息準(zhǔn)確率卻更難保證了，失真率大大增加。”李傳鋒說。

為解決這些問題，李傳鋒、柳必恒研究組在實驗上設(shè)計出緊湊的光學(xué)分束器來實現(xiàn)分束與合束，并采用空間光調(diào)制器精確地對每一束光進(jìn)行強度和相位調(diào)制。他們與奧地利科學(xué)院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，理論上給出了一種高效的高維糾纏態(tài)認(rèn)證方法。對于一個32維的糾纏態(tài)，完整的量子態(tài)層析技術(shù)需要進(jìn)行100萬次測量才能確定量子態(tài)的信息，而這種新方法只需要1000次測量即可完成。

通過實驗，研究組實現(xiàn)了32維的量子糾纏態(tài)，并測定其保真度為0.933。在保持高保真度的情況下，創(chuàng)造了量子糾纏態(tài)的維度數(shù)新世界紀(jì)錄。國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》于8月28日發(fā)表了該成果。

李傳鋒介紹，這個研究進(jìn)展顯著提高了量子通信的信道容量，同時為研究高維系統(tǒng)下的量子物理基本問題打下重要基礎(chǔ)。(記者吳長鋒)