我國實現量子糾纏高效率「提純」,未來可保障國家信息安全

中國科學家實現量子糾纏的高效率「提純」,未來可為國家信息安全提供保障。

近日,中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恆教授研究組與南京郵電大學電子與光學工程學院、柔性電子(未來技術)學院盛宇波教授等人合作,首次在實驗室實現了確定的糾纏純化,純化效率在理論上可提高10億倍,為未來高效率量子中繼提供有力技術支撐。該成果已在線發表於國內的自然科學綜合性國際期刊《科學通報》(英文版)。

盛宇波教授對澎湃新聞稱,量子通信的優勢就是感知竊聽,通過檢測誤碼率來判斷有無竊聽。與經典通信類似,量子通信在傳輸時,也會受環境雜訊影響而退化。雜訊導致光子丟失,或者信號出錯,產生誤碼率。

「如果雜訊也產生了誤碼率,就會使得我們無法區分是雜訊引起還是竊聽引起,所以會威脅通信安全。」盛教授表示。

而量子糾纏的純化效率提高,可以有效提高通信效率,從而更好地發揮量子通信能感知竊聽這一優勢,可為國家信息安全提供保障。

據了解,由於其重要性,量子糾纏純化的理論已吸引諸多國際科學家的關注。在此前國外的相關實驗中,為了提高保真度,需要重複純化大量的低保真度的量子糾纏,且此種純化存在失敗率,效率低,速度慢。美國科學院院士米哈伊爾·盧金也曾指出,對長距離量子通信來說,受限於糾纏純化效率,第一代量子中繼速度變得非常慢。

盛教授向澎湃新聞介紹,此次研究的理論部分是由南京郵電大學團隊負責,實驗部分由中國科學技術大學團隊負責。「提純」實驗主要藉助了光學設備,超糾纏源,探測器,以及線性光學元件來實現。量子糾纏純化的具體操作從理論上來講,都是控制非(CNOT)門。

而該實驗的理論最早源於2010年——盛教授和其導師鄧富國教授當時發表在《物理評論A》(PRA)上的確定的糾纏純化理論。

不同種類的量子糾纏,抵抗雜訊的能力也不同。例如,極化糾纏較易操控,可用於編碼,但傳輸過程中易受雜訊影響。而空間、時間、頻率糾纏較為穩定,不易受雜訊干擾。 

據此,兩位教授首先構造空間—極化兩個自由度的超糾纏,用不易受雜訊干擾的空間糾纏,來「提純」極化糾纏。純化後,空間糾纏消失,但能獲得高質量的極化糾纏。盛教授解釋,空間糾纏和極化糾纏都可用於量子通信。

根據這一理論,此次中國科學技術大學和南京郵電大學的兩個團隊合作,首先在實驗室製備了空間—極化超糾纏。隨後,實驗團隊在極化糾纏上加上雜訊,再經純化操作後,極化糾纏的保真度從0.268一下就提高到0.989。

據盛教授,採用這一新方法,僅需要一對超糾纏,即可實現量子糾纏的純化。從理論上估算,純化效率可提高10億倍。這對於提高量子中繼速度十分有利,能夠為未來的長距離量子通信提供技術支撐。同時,對未來分散式量子計算也有用處。

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