中国科学技术大学:首次实现高保真度32维量子纠缠态

学生动态 2020-09-05

中国科学技术大学公布最新消息,郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展,该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授...

中国科学技术大学发布最新消息,郭光灿院士团队在高维量子通信研究中获得最重要进展,该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授研究组合作,首次构建了高保真度32维量子纠结态。该成果8月28日发表在国际著名期刊《物理评论快报》上。

比起二维系统,高维量子纠结态在信道容量上具有极大的优势。然而要展示这一优势,必须要构建低保真度高维量子纠缠态的制取、传输与测量。此前在光学系统中人们普遍采用光子的轨道角动量、时间或频率自由度进行编码,但还没有一个系统能够同时很好的解决问题高维量子纠缠态的制备、传输与测量的困难。

IT之家了解到,李传锋、柳必恒等人另辟蹊径,于2016年开始采用光子的路径自由度进行编码,并获得一系列成果,还包括解决路径比特的相干性问题[Phys. Rev. Lett. 117, 220402, (2016)],制取出高保真度的三维纠缠态[Phys. Rev. Lett. 117, 170403, 2016],展示超越二维信道容量无限大的量子密集编码[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)],最近则采用商用多芯光纤解决高维纠结的传输问题,实现了四维量子纠缠态在11公里光纤中的有效地传输[Optica 7, 738 (2020)]。

然而随着维度数的减少,量子系统的复杂度及操控与测量难度都指数增加。为了解决维度拓展问题,研究组在实验上设计出灵活的光学分束器来构建光学分束与合束,并使用空间光调制器精确地对每一束光展开强度和振幅调制。研究组还与奥地利Marcus Huber教授研究组合作,理论上得出了一种高效的高维纠结态的证书方法。对一个32维纠缠态而言,原始的量子态层析技术需要展开一百万次测量(32^4)才能确认量子态的信息,而该方法只必须一千次测量即可完成。最终研究组在实验上实现了32维量子纠结态,并测量其保真度为0.933。32维的高维纠结态维度数建构了当前世界最高水平。

本成果为进一步实现各种高维量子信息过程和研究高维系统的量子物理基本问题打下重要基础。

文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏博士和博士研究生邢文博。本研究获得科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的反对。


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