我國實現(xiàn)高噪聲環(huán)境下高效高維量子通信

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪聲環(huán)境下實現(xiàn)了高效的高維量子通信。該成果日前發(fā)表于《物理評論快報》。

量子通信是量子信息領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。理論研究表明，相比二維體系，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，然而要在實驗上實現(xiàn)高效的高維量子通信仍然存在挑戰(zhàn)。

近年來，李傳鋒、柳必恒研究組致力于高維量子通信網(wǎng)絡(luò)的實驗研究，在高維糾纏的制備與傳輸?shù)确矫嫒〉昧艘幌盗羞M展，包括制備出世界上保真度最高的32維量子糾纏態(tài)，實現(xiàn)高維糾纏態(tài)在11 km光纖中的有效傳輸?shù)?。該研究組首先制備出兩光子多維（實驗中制備了2、4、8維）路徑糾纏態(tài)，然后設(shè)計并實驗實現(xiàn)了多維量子態(tài)的多出口測量裝置，可分別對兩個光子進行多達8維輸出的探測。為了研究環(huán)境噪聲對高維量子通信的影響，研究組采用LED對單光子探測器照射的辦法引入環(huán)境雜散光，通過調(diào)節(jié)LED的亮度即可方便地調(diào)節(jié)環(huán)境噪聲的大小。他們以基于糾纏的量子密鑰分發(fā)為例進行了實驗研究。研究結(jié)果表明：在噪聲較小時，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)過糾錯和保密放大等后處理后，每對糾纏光子依然可以得到大于1 Bit的密鑰，超越了兩維比特系統(tǒng)所能達到的極限。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抗噪聲的影響，實驗結(jié)果明顯優(yōu)于兩維比特系統(tǒng)，從而保證在高噪聲環(huán)境中依然能實現(xiàn)高效的高維量子通信。

該成果實驗驗證了高維量子通信的優(yōu)勢，并為不同大小噪聲環(huán)境下實現(xiàn)高效的高維量子通信過程提供了可行的途徑。