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量子通信新進展!首次用四維糾纏態實現量子密集編碼

記者從中國科大獲悉,該校郭光燦院士團隊的李傳鋒、柳必恒等人,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。該成果日前發表在國際權威期刊《科學·進展》上。
量子密集編碼是最重要的量子保密通信過程之一。例如,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,并把光子發送到B,然后B對其手里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。
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。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。由于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,直到2017年,基于完全的貝爾基測量,這一紀錄才被更新為1.665。
李傳鋒、柳必恒等人在自主研制的高品質三維糾纏源基礎上,進一步制備出偏振—路徑復合的四維糾纏源,保真度達到98%。他們利用這種四維糾纏源成功識別了5類貝爾態,并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,超過了兩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。


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