量子糾纏純化效率提高6000多倍 遠超此前國際最好水平

當前,以量子信息科學為代表的量子科技不斷進步,形成新的科學前沿,激發科技創新,孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。 世界各國都對其高度關注,各大科技公司、研究院也紛紛布局。

我國作為科技強國,高度重視量子信息科技的發展,在量子信息科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術,產出了一批具有重要國際影響力的成果。

來自中國科大的消息顯示,近日,中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恆研究組與南京郵電大學盛宇波等人合作,利用高品質的超糾纏源,首次實現了11公里的遠距離量子糾纏純化,純化效率比此前國際最好水平提升了6000多倍,在量子通信和量子網絡的研究中取得了重要進展。

據悉,在量子通信傳輸中,如何實現遠距離量子通信一直以來都是國際研究的熱點。對於這一問題,目前主要有兩種解決方案:

其一是在幾乎真空,量子信號損耗極小的外太空,利用衛星擴展量子通信距離。例如,我國於2016年成功發射了國際首顆量子科學實驗衛星「墨子號」,成功驗證了這一方案的可行性;

其二則是在光纖網絡中使用量子中繼器,將一段長距離光纖信道分割成多段距離比較短的信道,使得量子信號不再隨距離的增加而指數衰減,從而擴展量子通信距離。

談及量子中繼,它是在噪聲信道中實現長距離量子通信的重要途徑,具有重要科學研究和應用價值,國際上關於量子中繼器研究的競爭非常激烈。傳統量子中繼器需要基於糾纏交換、糾纏純化、量子存儲三個必不可少的技術。

其中,量子糾纏純化是量子中繼中的關鍵操作,利用量子糾纏純化操作可以從兩份糾纏度較低的糾纏態中提煉出一份糾纏度較高的糾纏態。此前的糾纏純化協議都是利用兩對低糾纏度的光子對實現,而研究組與合作者提出僅需一對超糾纏光子對的糾纏純化方案。

那麼,如何提純高品質的量子糾纏態?

研究團隊通過制備出偏振和路徑分別處於糾纏態的超糾纏光子對,並在11公里長的多芯光纖里進行糾纏分發,然後進行量子糾纏純化操作。實驗結果表明,分發後的偏振糾纏和路徑糾纏初始保真度均為約0.665時,純化得到的糾纏態的保真度可以提升到0.774,而初始保真度均為約0.771時,純化後的保真度則可提升到0.887。’

除此之外,研究團隊首次將糾纏純化用於量子密鑰分發,使有效密鑰率從0提升至0.371。

量子糾纏純化效率提高6000多倍 遠超此前國際最好水平

(a)實驗概念圖,(b)實驗原理圖。

中國科大取得的這一成果可以說是邁出了糾纏純化從實驗室平台到遠距離的關鍵一步,同時大幅提升了糾纏純化效率,為將來實現高效率的量子中繼提供了有力的技術保障。

來源:cnBeta