近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等在高維量子光學(xué)平臺上實現(xiàn)了高成功率的隨機通信，并發(fā)展了具有噪聲魯棒性的高維糾纏認證方案。

01

量子尋寶賽

在城市尋寶賽中，出題者要設(shè)計線索系統(tǒng)。當選手到達岔路口時，他們臨時決定選擇路線。根據(jù)賽前規(guī)則，出題者只給每位選手寄送一張線索卡。為了讓這張小卡片同時適配兩條路線，出題者將線索設(shè)計成紅藍濾片。兩種濾片不能同時使用，每次只能選擇其一，旨在通過巧妙的設(shè)計，無論選手選擇紅色還是藍色濾片，讓這張小卡片都能以較高概率提供所需的提示。

在信息科學(xué)中，這種“先發(fā)送短消息，事后按需選擇其一，且不能同時獲取全部信息”的任務(wù)被稱為隨機存取碼。當這張卡片是一個量子態(tài)，選手的紅藍濾片對應(yīng)兩種互補的量子測量時，可得到量子隨機存取碼。對于二維量子系統(tǒng)，解碼信息的平均成功率可超越經(jīng)典的0.5極限。但是，在不兼容測量下分別解碼兩種信息，這種方法的成功率無法達到完美的1。

在尋寶賽的擴展規(guī)則中，還有一種“神奇壓縮術(shù)”——量子密集編碼。其核心在于：賽前主辦方給出題者和選手各一張“默契卡片”，即預(yù)共享的糾纏態(tài)；比賽開始后，出題者在自己的卡片上刻印線索后寄給選手；選手將收到的卡片與自己的卡片組合，通過糾纏測量就能同時讀出兩條路線的完整線索。如果選手只想選擇一條路線，只需要對持有的兩張“默契卡片”分別進行特定的局域單粒子測量，即可以概率1獲得所有線索，這降低了技術(shù)門檻。

▲(a) 量子密集編碼和 (b) 基于糾纏的隨機通信框架原理示意圖

02

讓理論變成現(xiàn)實

為了將理論付諸實踐，科研團隊提出基于隨機存取碼的隨機通信框架，在高維量子光學(xué)平臺上實現(xiàn)了高成功率的隨機通信，并發(fā)展出具有噪聲魯棒性的高維糾纏認證方案。

在實驗設(shè)計中，團隊采用光學(xué)系統(tǒng)，通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程生成八維的“默契卡片”。團隊利用光子的路徑和偏振自由度進行混合編碼，形成4×2的八維空間，這降低了操作和測量高維量子態(tài)的難度。發(fā)送端將兩位信息編碼到量子態(tài)中，并通過八維量子信道發(fā)送。進而，接收端隨機選擇想要讀取的線索類型。

▲基于路徑-偏振自由度編碼的八維全出口測量量子光學(xué)平臺

整個過程僅涉及局域單粒子測量，無需進行光子-光子干涉這類復(fù)雜的高維糾纏測量。實驗實現(xiàn)了全出口的本征測量，即接收端在每一輪測量中都進行全出口讀出，從而提高解碼效率。

實驗數(shù)據(jù)展示了上述方案的優(yōu)越性：基于共享的八維糾纏，團隊測試了所有可能的編碼與測量解碼組合，并測得整體成功率為0.9729±0.0001。同時，成功率與共享糾纏的施密特數(shù)d存在明確的上界關(guān)系。實驗結(jié)果超越七維糾纏所實現(xiàn)的成功率上限，從而可直接認證共享的糾纏態(tài)維度不低于八維。

在通信技術(shù)層面，這項工作為量子隨機存取碼的難題提供了更高成功率、更強噪聲魯棒性的解決方案，規(guī)避了高維糾纏測量這一技術(shù)瓶頸。

在量子認證層面，成功率成為一種維度認證：一旦超越特定閾值，無需了解裝置細節(jié)即可確認糾纏的最小維度，實現(xiàn)通信與糾纏認證的雙重功能。

在技術(shù)實現(xiàn)層面，“路徑+偏振”的混合編碼方案與多芯光纖、集成光子學(xué)芯片等技術(shù)兼容，為高維糾纏的制備、操控和讀出提供了可行的技術(shù)路線，有望推動城域乃至城際量子鏈路的發(fā)展。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rq78-1qbh

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責任編輯：侯茜