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【中国科学报】科学家在高噪声环境下实现高效高维量子通信

作者: 2021-09-17 18:16 来源:中国科学报
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中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利等国科学家合作,在高噪声环境下实现了高效的高维量子通信。该成果日前发表于《物理评论快报》。

量子通信是量子信息领域最重要的应用之一。理论研究表明,相比二维体系,高维量子体系在信道容量和抗噪声能力上均具有明显优势,然而要在实验上实现高效的高维量子通信仍然存在挑战。

近年来,李传锋、柳必恒研究组致力于高维量子通信网络的实验研究,在高维纠缠的制备与传输等方面取得一系列进展,包括制备出世界上保真度最高的32维量子纠缠态,实现高维纠缠态在11公里光纤中的有效传输等。

该研究组首先制备出两光子多维(实验中制备了2、4、8维)路径纠缠态,然后通过设计和实验构建了多维量子态的多出口测量装置,可分别对两个光子进行多达8输出的探测。为研究环境噪声对高维量子通信的影响,研究组采用发光二极管(LED)对单光子探测器照射的办法引入环境杂散光,通过调节LED的亮度即可方便地调节环境噪声的大小。他们以基于纠缠的量子密钥分发为例进行了实验研究。

研究结果表明,在噪声较小时,高维全空间编码能取得最佳的编码效率。具体而言,利用4维纠缠态和8维纠缠态,经过纠错和保密放大等后处理后,每对纠缠光子依然可以得到大于1比特的密钥,超越了两维比特系统所能达到的极限。而随着噪声增大,采用高维部分子空间编码的方式则更能对抗噪声的影响,实验结果显著优于两维比特系统,从而保证在高噪声环境中依然能实现高效的高维量子通信。

该成果实验验证了高维量子通信的优势,并为不同大小噪声环境下实现高效的高维量子通信过程提供了可行途径。(桂运安)

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