中国科大高维量子通信重要进展：实现高效高维量子隐形传态

12月21日消息（余予）高效高维量子隐形传态的实现为构建高效高维量子网络打下坚实的基础。

来自中国科大的消息显示，中国科大郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组利用六光子系统实验实现了高效的高维量子隐形传态，在高维量子通信研究中取得重要进展。

据了解，量子隐形传态是建立远距离量子网络的关键技术之一。相比二维系统，高维量子网络具有更高的信道容量、更高的安全性等优点。

为了实现高维量子通信，李传锋、柳必恒等人从2016年开始采用光子的路径自由度编码，解决了路径比特的相干性问题，制备出了高保真度的三维纠缠态；解决路径维度扩展问题，实现了32维量子纠缠态；解决路径自由度的传输问题，实现了高维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输等。

2017年起，研究组开始了高维量子隐形传态的实验研究。理论研究表明，在线性光学体系中，必须采用辅助粒子才能实现高维量子隐形传态。

为实现高维量子隐形传态，研究组首先巧妙的提出了纠缠辅助的方式，利用log2d-1个辅助纠缠光子对就可以高效的实现d维量子隐形传态，从而解决了资源消耗问题；实验上利用主动反馈技术实现路径间的相位锁定，干涉可见度在45小时内保持在0.98的水平，从而利用六光子系统实现了三维的量子隐形传态。研究结果显示，量子隐形传态保真度达到0.596，以7个标准差超过了经典极限值1/3，证实了三维量子隐形传态过程的量子特性。

图1、纠缠辅助的高维量子隐形传态示意图（中国科大新闻网）

图2、三维量子隐形传态的实验装置图（中国科大新闻网）

据了解，中国科大首次实现高维度量子隐形传态是在2019年8月15日，由中国科大潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等和奥地利维也纳大学塞林格小组合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。

当时，审稿人指出：“高维量子隐形传态是量子通信领域的一个长期存在的挑战”(the demonstration of higher dimensional teleportation has been a long-standing goal in the field of quantum communication)；“解决这个挑战将开启量子力学基础检验和量子技术的激动人心的新应用”(Solving this outstanding experimental challenge would lead to exciting new applications for quantum technologies and fundamental tests of quantum mechanics)；“这是一个非常英雄式的努力”(a pretty heroic effort)；“这明显是量子通信领域的一个里程碑”(it is certainly true that the work presented here represents a milestone for the field of quantum communication)。

此外，美国物理学会Physics杂志对该工作总结称，这首次实现三维量子态隐形传态实验为传输粒子的完整量子态铺平了道路。

附：原文链接

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.230501（2020/12/18）

2.https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.123.070505（2019/8/15）

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