中國科學家創造密集編碼量子通信信道容量新紀錄

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子通信研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、柳必恆等人首次利用四維糾纏態實現量子密集編碼，達到2.09的信道容量，創造了當前國際最高水平。該成果充分展示了高維糾纏在量子通信中的優勢。該成果近日發表在國際期刊《科學進展》（Science Advances）上。

量子密集編碼是最重要的量子保密通信過程之一。以比特系統為例，初始時A和B兩人共享一對糾纏光子，A編碼2比特的經典信息在其光子上，並把光子發送到B，然後B對其手裡的兩個光子進行貝爾基測量，解碼得到A發送的2比特信息。在這個過程中A只發送了1個量子比特到B，但是B卻接收到了2比特的經典信息。衡量密集編碼的重要指標是信道容量，即A向B發送一個光子所能傳輸的比特數。在比特系統中，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年在光學系統中首次實現[PRL76, 4656 (1996)]。由於無法實現完全的貝爾基測量，當時利用一對糾纏光子僅傳送1.13個經典比特，即信道容量為1.13。10餘年後的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)]。又過了近10年後的2017年，基於完全的貝爾基測量，這一紀錄才被更新為1.665 [PRL118, 050501 (2017)]。

相比比特系統的二維糾纏，高維糾纏具有信道容量高、抵抗竊聽能力強等優勢，近年來被學術界廣泛關注。李傳鋒、柳必恆等人在自主研製的高品質三維糾纏源[PRL117, 170403 (2016)]基礎上，進一步製備出偏振-路徑複合的四維糾纏源，保真度達到98%。他們利用這種四維糾纏源成功識別了五類貝爾態，並實驗演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的信道容量紀錄提升到了2.09，超過了二維糾纏能達到的理論極限2，充分展示了高維糾纏在量子通信中的優勢，為高維糾纏在量子信息領域的深入研究打下重要基礎。

審稿人對該工作給予了高度評價：「這絕對是在嘗試實現密集編碼的相當長的一系列量子光學實驗中最好的，我強烈推薦發表！」「據我所知，作者首次在d> 2維繫統中展示了他們可以在實驗中超越經典極限。他們使用d = 4來傳輸超過2比特/次。這是一項了不起的技術成就，我向作者表示祝賀。」

論文的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士生胡曉敏和郭鈺。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的支持。

圖1 高維密集編碼實驗裝置圖

圖2 利用高維密集編碼傳輸五色的中國科大英文簡寫(USTC)的實驗結果

來源：中國科學技術大學

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