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    光明日报 2022年01月08日 星期六

    量子纠缠实现高效率“提纯”

    未来可支撑高速量子通信

    作者:本报记者 詹媛 《光明日报》( 2022年01月08日 04版)

      【科技前沿】  

      本报北京1月7日电(记者詹媛)量子通信能够感知窃听,可为国家信息安全提供保障。但是量子通信在传输时,会受噪声影响而退化,这不仅严重影响通信质量,同时还威胁通信安全。为了保证量子通信准确无误,能不能对被噪声“污染”的量子纠缠进行高效率“提纯”呢?

      近日,中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋教授、柳必恒教授研究组与南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院盛宇波教授等人合作,首次在实验室实现了确定的纠缠纯化,纯化效率理论上可提高10亿倍,为未来高效率量子中继提供有力技术支撑。该成果已在线发表于国内的自然科学综合性国际期刊《科学通报》(英文版)上。

      据了解,由于其重要性,量子纠缠纯化理论吸引了一大批国际顶尖科学家的关注。然而,此前国外的相关实验,为了提高保真度,需要重复纯化大量低保真度的量子纠缠,且这种纯化存在失败的概率,失败后就需重新进行。纯化效率低,速度慢。对此,美国科学院院士米哈伊尔·卢金也曾指出,受限于纠缠纯化,对长距离量子通信来说,第一代量子中继速度变得非常慢。

      但相关研究也发现,不同种类的量子纠缠,抵抗噪声“污染”的能力也不同。例如,极化纠缠比较易操控,可用于编码,但是在传输过程中易受噪声影响。而空间、时间、频率纠缠则较为稳定,不易受噪声干扰。由此,盛宇波和北京师范大学邓富国教授早前提出了确定的纠缠纯化理论,即首先构造空间—极化两个自由度的超纠缠,用不易受噪声干扰的空间纠缠,来“提纯”极化纠缠。纯化后,空间纠缠消失,但确定能获得高质量的极化纠缠。这得到了最早开展量子纠缠纯化实验的美国科学院外籍院士安东·塞林格的认可,认为有可能实现。

      根据这一理论,此次中国科学技术大学和南京邮电大学的两个团队合作,首先在实验室制备了空间—极化超纠缠。随后实验人员在极化纠缠上加上噪声,再经纯化操作后,极化纠缠的保真度从0.268一下就提高到了0.989。

      据盛宇波介绍,采用此次新的方法,仅需要一对超纠缠,即可实现纯化。从理论上估算,纯化效率可提高10亿倍,这对于提高量子中继速度十分有利,能够为未来的长距离量子通信提供技术支撑。

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