中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子通信研究中取得新進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒等人首次利用四維糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密集編碼，達(dá)到2.09的信道容量，創(chuàng)造了當(dāng)前國(guó)際最高水平。該成果充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢(shì)。該成果7月20日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。
量子密集編碼是最重要的量子保密通信過(guò)程之一。以比特系統(tǒng)為例，初始時(shí)A和B兩人共享一對(duì)糾纏光子，A編碼2比特的經(jīng)典信息在其光子上，并把光子發(fā)送到B，然后B對(duì)其手里的兩個(gè)光子進(jìn)行貝爾基測(cè)量，解碼得到A發(fā)送的2比特信息。在這個(gè)過(guò)程中A只發(fā)送了1個(gè)量子比特到B，但是B卻接收到了2比特的經(jīng)典信息。衡量密集編碼的重要指標(biāo)是信道容量，即A向B發(fā)送一個(gè)光子所能傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。在比特系統(tǒng)中，量子密集編碼的信道容量極限為2。量子密集編碼的思想自1992年提出，1996年在光學(xué)系統(tǒng)中首次實(shí)現(xiàn)[PRL 76, 4656 (1996)]。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的貝爾基測(cè)量，當(dāng)時(shí)利用一對(duì)糾纏光子僅傳送1.13個(gè)經(jīng)典比特，即信道容量為1.13。10余年后的2008年，利用超糾纏，量子密集編碼的信道容量被提升到1.63 [Nat. Phys. 4, 282 (2008)]。又過(guò)了近10年后的2017年，基于完全的貝爾基測(cè)量，這一紀(jì)錄才被更新為1.665 [PRL 118, 050501 (2017)]。
相比比特系統(tǒng)的二維糾纏，高維糾纏具有信道容量高、抵抗竊聽(tīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。李傳鋒、柳必恒等人在自主研制的高品質(zhì)三維糾纏源[PRL 117, 170403 (2016)]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制備出偏振-路徑復(fù)合的四維糾纏源，保真度達(dá)到98%。他們利用這種四維糾纏源成功識(shí)別了五類貝爾態(tài)，并實(shí)驗(yàn)演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的信道容量紀(jì)錄提升到了2.09，超過(guò)了兩維糾纏能達(dá)到的理論極限2，充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢(shì)，為高維糾纏在量子信息領(lǐng)域的深入研究打下重要基礎(chǔ)。
審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“這絕對(duì)是在嘗試實(shí)現(xiàn)密集編碼的相當(dāng)長(zhǎng)的一系列量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最好的，我強(qiáng)烈推薦發(fā)表！”(This is definitely the best in a rather long line of quantum optics experiments trying to realize superdense coding, and I strongly support its publication.）
“據(jù)我所知，作者首次在d> 2維系統(tǒng)中展示了他們可以在實(shí)驗(yàn)中超越經(jīng)典極限。他們使用d = 4來(lái)傳輸超過(guò)2比特/次。 這是一項(xiàng)了不起的技術(shù)成就，我向作者表示祝賀。”(Here, to the best of my knowledge, the authors show for the first time in a d>2-dimensional system that they can beat the classical limit in an experiment: They use d=4 to transmit more than 2bit per shot. This is a remarkable technical achievement, and I congratulate the authors to this result.)
論文的共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生胡曉敏和郭鈺。該項(xiàng)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和教育部的支持。
