我国实现量子纠缠高效率“提纯”,未来可保障国家信息安全

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我国科学家实现量子纠缠的高效率“提纯”,未来可为国家信息安全提供保障。

近日,中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、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,纯化效率在理论上可提高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)。

盛宇波教授对澎湃新闻称,量子通信的优势就是感知窃听,通过检测误码率来判断有无窃听。与经典通信类似,量子通信在传输时,也会受环境噪声影响而退化。噪声导致光子丢失,或者信号出错,产生误码率。

“如果噪声也产生了误码率,就会使得我们无法区分是噪声引起还是窃听引起,所以会威胁通信安全。”盛教授表示。

我国实现量子纠缠高效率“提纯”,未来可保障国家信息安全插图

而量子纠缠的纯化效率提高,可以有效提高通信效率,从而更好地发挥量子通信能感知窃听这一优势,可为国家信息安全提供保障。

据了解,由于其重要性,量子纠缠纯化的理论已吸引诸多国际科学家的关注。在此前国外的相关实验中,为了提高保真度,需要重复纯化大量的低保真度的量子纠缠,且此种纯化存在失败率,效率低,速度慢。美国科学院院士米哈伊尔・卢金也曾指出,对长距离量子通信来说,受限于纠缠纯化效率,第一代量子中继速度变得非常慢。

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盛教授向澎湃新闻介绍,此次研究的理论部分是由南京邮电大学团队负责,实验部分由中国科学技术大学团队负责。“提纯”实验主要借助了光学设备,超纠缠源,探测器,以及线性光学元件来实现。量子纠缠纯化的具体操作从理论上来讲,都是控制非(CNOT)门。

我国实现量子纠缠高效率“提纯”,未来可保障国家信息安全插图1

而该实验的理论最早源于2010年――盛教授和其导师邓富国教授当时发表在《物理评论A》(PRA)上的确定的纠缠纯化理论。

不同种类的量子纠缠,抵抗噪声的能力也不同。例如,极化纠缠较易操控,可用于编码,但传输过程中易受噪声影响。而空间、时间、频率纠缠较为稳定,不易受噪声干扰。

据此,两位教授首先构造空间―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,但能获得高质量的极化纠缠。盛教授解释,空间纠缠和极化纠缠都可用于量子通信。

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,实验团队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0.989。

据盛教授,采用这一新方法,仅需要一对超纠缠,即可实现量子纠缠的纯化。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。同时,对未来分布式量子计算也有用处。

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