量子通信研究首次實現 高保真度32維量子糾纏態

記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，團隊中的李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利科學院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態。

相比0和1的2維系統，高維量子糾纏態在信道容量上有著巨大優勢。然而要實現這一優勢，必須要實現高保真度高維量子糾纏態的制備、傳輸與測量。此前人們廣泛采用軌道角動量、時間或頻率自由度進行編碼，但還沒能很好地解決高維量子糾纏態的制備、傳輸與測量問題。

李傳鋒、柳必恒等科研人員另辟蹊徑，自2016年以來開始采用光子的路徑自由度編碼并取得一系列突破，包括制備出高保真的三維糾纏態、演示出超越二位信道容量極限的量子密集編碼等。現在，科研人員又采用商用多芯光纖解決高維糾纏的傳輸問題，實現了4維量子糾纏態在11公里光纖中的有效傳輸。

然而，隨著維度數的增加，量子系統的復雜度及操控與測量難度都急劇提高。“1個比特可以攜帶2維信息，5個比特就可以攜帶2的5次方——也就是32維的信息。信道的容量暴增，但信息準確率卻更難保證了，失真率大大增加。”李傳鋒說。

為解決這些問題，李傳鋒、柳必恒研究組在實驗上設計出緊湊的光學分束器來實現分束與合束，并采用空間光調制器精確地對每一束光進行強度和相位調制。他們與奧地利科學院馬庫斯·胡貝爾教授研究組合作，理論上給出了一種高效的高維糾纏態認證方法。對于一個32維的糾纏態，完整的量子態層析技術需要進行100萬次測量才能確定量子態的信息，而這種新方法只需要1000次測量即可完成。

通過實驗，研究組實現了32維的量子糾纏態，并測定其保真度為0.933。在保持高保真度的情況下，創造了量子糾纏態的維度數新世界紀錄。國際知名學術期刊《物理評論快報》于8月28日發表了該成果。

李傳鋒介紹，這個研究進展顯著提高了量子通信的信道容量，同時為研究高維系統下的量子物理基本問題打下重要基礎。