如何建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)？

高效高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)建高效高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒研究組利用六光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高效的高維量子隱形傳態(tài)，在高維量子通信研究中取得重要進(jìn)展。

據(jù)了解，量子隱形傳態(tài)是建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比二維系統(tǒng)，高維量子網(wǎng)絡(luò)具有更高的信道容量、更高的安全性等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)高維量子通信，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開始采用光子的路徑自由度編碼，解決了路徑比特的相干性問題，制備出了高保真度的三維糾纏態(tài)；解決路徑維度擴(kuò)展問題，實(shí)現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)；解決路徑自由度的傳輸問題，實(shí)現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸?shù)取?/p>

2017年起，研究組開始了高維量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。理論研究表明，在線性光學(xué)體系中，必須采用輔助粒子才能實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個(gè)輔助糾纏光子對(duì)就可以高效的實(shí)現(xiàn)d維量子隱形傳態(tài)，從而解決了資源消耗問題；實(shí)驗(yàn)上利用主動(dòng)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見度在45小時(shí)內(nèi)保持在0.98的水平，從而利用六光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維的量子隱形傳態(tài)。研究結(jié)果顯示，量子隱形傳態(tài)保真度達(dá)到0.596，以7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過了經(jīng)典極限值1/3，證實(shí)了三維量子隱形傳態(tài)過程的量子特性。

圖1、糾纏輔助的高維量子隱形傳態(tài)示意圖

圖2、三維量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

據(jù)了解，中國科大首次實(shí)現(xiàn)高維度量子隱形傳態(tài)是在2019年8月15日，由中國科大潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學(xué)塞林格小組合作，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年實(shí)現(xiàn)二維量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)以來，科學(xué)家第一次在理論和實(shí)驗(yàn)上把量子隱形傳態(tài)擴(kuò)展到任意維度，為復(fù)雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

當(dāng)時(shí)，審稿人指出：“高維量子隱形傳態(tài)是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)”（the demonstration of higher dimensional teleportation has been a long-standing goal in the field of quantum communication）；“解決這個(gè)挑戰(zhàn)將開啟量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子技術(shù)的激動(dòng)人心的新應(yīng)用”（Solving this outstanding experimental challenge would lead to exciting new applications for quantum technologies and fundamental tests of quantum mechanics）；“這是一個(gè)非常英雄式的努力”（a pretty heroic effort）；“這明顯是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”（it is certainly true that the work presented here represents a milestone for the field of quantum communication）。

此外，美國物理學(xué)會(huì)Physics雜志對(duì)該工作總結(jié)稱，這首次實(shí)現(xiàn)三維量子態(tài)隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)為傳輸粒子的完整量子態(tài)鋪平了道路。
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