中国科大利用高维纠缠实现高效量子随机通信

　　近日，中国科年夜郭光灿院士团队柳必恒研究组与瑞典隆德年夜学Armin Tavakoli博士、瑞士日内瓦年夜学Jef Pauwels博士互助，提出一种基于“随机存取码”的随机通讯框架，并正在高维量子光学平台上完成高胜利率的随机通讯，同时给出一种具备噪声鲁棒的高维纠缠认证方案。该结果以“Quantum Stochastic Co妹妹unication via High-Dimensional Entanglement”为题，于9月17日正在线颁发于《物理评论快报》。

　　量子通讯被普遍以为是将来信息迷信的重要支柱，可以或许冲破经典通讯的机能极限，完成更高效、更保险的信息传输。然而，正在高维量子体系中充实开释量子上风，凡是依赖于庞大的高维量子门操作以及纠缠丈量（高维贝尔丈量），正在光子平台上完成这些操作极具应战，已成为制约试验进展的要害瓶颈。今朝试验研究多集中于二维或低维体系，高维纠缠的后劲远未获得充实阐扬。这一局限不只影响了量子密钥分发、随机数天生等前沿使用的推进，也阻碍了量子收集及将来量子互联网的成长。是以，怎样正在没有依赖庞大纠缠丈量以及多光子帮助的条件下，完成可扩大的高维量子通讯，成为以后亟待解决的焦点迷信问题。

图一：基于随机存取码的通讯框架

　　针对高维纠缠丈量的难题，研究团队基于随机存取码构建了一种随机通讯和谈（图一）。正在同享n维纠缠的根蒂根基上，发送端仅经由过程高维移位操作与相位门（X、Z）对单光子编码两位信息x₁x₂，吸收端则无需履行纠缠丈量，而是凭据通讯需要划分对两粒籽实施Z⊗Z或X⊗X的单粒子丈量。该方案实践上可以或许以肯定性胜利率S=1解码x₁或x₂。进一步，研究团队提出基于胜利率对同享纠缠的维度（Schmidt数）举行认证，该要领具有杰出的噪声鲁棒性。

图二：基于路径-偏振自由度编码的八维全出口丈量量子光学平台

　　正在试验完成方面，研究团队采纳路径以及偏振自由度混淆编码构建八维子空间（图二），显著普及了高维移位操作以及构建高维丈量的效率，展示出优胜的可扩大性。基于同享的八维纠缠，经由过程全出口高维丈量完成对发送方编码信息的随机解码，试验测患上胜利率S=0.9729±0.0001，凌驾了七维纠缠所能到达的实践胜利率上界0.9677，从而认证了所同享的纠缠态维度没有低于八维（图三）。

图三：随即通讯和谈试验成果

　　该研究胜利规避了高维体系中庞大的纠缠丈量操作，凸显了高维量子通讯的显著上风。这一冲破不只消弭了恒久制约高维量籽实验成长的技能瓶颈，还供给了一条可扩大、高噪声鲁棒的高维纠缠认证要领。同时，试验采纳的“路径+偏振”混淆自编码方案具备杰出的可扩大性和与城际光纤的兼容性，为将来高维量子通讯的实用化以及长间隔分发奠基了技能根蒂根基。

　　中国迷信技能年夜学张超博士（现为丹麦技能年夜学博士后）以及博士研究生苗家乐为论文配合第一作者。中国科年夜特任传授胡晓敏、Jef Pauwels博士、Armin Tavakoli博士和中国科年夜柳必恒研究员为该论文通信作者。该研究事情获得了量子迷信与技能立异规划、国度天然迷信基金、安徽省天然迷信基金、安徽省科技立异攻坚规划以及中国迷信技能年夜学等的撑持。

　　论文链接：https://doi.org/10.1103/rq78-1qbh