中國(guó)科大在高噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效高維量子通信

9月13日消息（余予）來(lái)自中國(guó)科大的消息顯示，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在高維量子通信研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了高效的高維量子通信。

量子通信是量子信息領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。由于量子信息極易受到環(huán)境的影響，因此如何在噪聲環(huán)境下進(jìn)行高效量子通信是量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。而相比二維體系，理論研究表明高維量子體系在信道容量和抗噪聲能力上均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)高效的高維量子通信仍然存在挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，李傳鋒、柳必恒研究組致力于高維量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究，在高維糾纏的制備與傳輸?shù)确矫嫒〉靡幌盗羞M(jìn)展，包括制備出了世界上保真度最高的32維量子糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)了高維糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸?shù)?。接下?lái)為了實(shí)現(xiàn)高效的高維量子通信，研究組必須要實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的高效的量子測(cè)量。

在本實(shí)驗(yàn)中，研究組首先利用多點(diǎn)泵浦的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程制備出兩光子多維（本實(shí)驗(yàn)中制備了2、4、8維）路徑糾纏態(tài)，然后設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多維量子態(tài)的多出口測(cè)量裝置，可分別對(duì)兩個(gè)光子進(jìn)行多達(dá)8輸出的探測(cè)。

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖

同時(shí)，研究組采用LED對(duì)單光子探測(cè)器照射的辦法引入環(huán)境雜散光，通過(guò)調(diào)節(jié)LED的亮度即可方便的調(diào)節(jié)環(huán)境噪聲的大小，以研究環(huán)境噪聲對(duì)高維量子通信的影響。

除此之外，研究組還以基于糾纏的量子密鑰分發(fā)為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

最終研究結(jié)果表表明，在噪聲較小時(shí)，高維全空間編碼能取得最佳的編碼效率：具體而言，利用4維糾纏態(tài)和8維糾纏態(tài)，經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)和保密放大等后處理后，每對(duì)糾纏光子依然可以得到大于1比特的密鑰，超越了兩維比特系統(tǒng)所能達(dá)到的極限；而隨著噪聲增大，采用高維部分子空間編碼的方式則更能對(duì)抗噪聲的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯著優(yōu)于兩維比特系統(tǒng)，從而保證在高噪聲環(huán)境中依然能實(shí)現(xiàn)高效的高維量子通信。

圖2：實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。橫坐標(biāo)為環(huán)境噪聲的強(qiáng)度?？v坐標(biāo)為每對(duì)光子能產(chǎn)生的密鑰比特?cái)?shù)。其中d為糾纏態(tài)的維度數(shù)，k為子空間的維度數(shù)。最下邊的一條線對(duì)應(yīng)兩維比特系統(tǒng)。

該成果9月10日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。該成果驗(yàn)證了高維量子通信的優(yōu)勢(shì)，并為不同大小噪聲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效的高維量子通信過(guò)程提供了可行的途徑。

文章第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員胡曉敏博士。本研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省的支持，柳必恒研究員是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者。

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