我國實現量子糾纏高(gāo)效率“提純”，未來(lái)可(kě)保障國家(jiā)信息安全

         我國科學家(jiā)實現量子糾纏的高(gāo)效率“提純”，未來(lái)可(kě)為(wèi)國家(jiā)信息安全提供保障。

近日，中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恒教授研究組與南京郵電(diàn)大(dà)學電(diàn)子與光學工程學院、柔性電(diàn)子（未來(lái)技(jì)術(shù)）學院盛宇波教授等人(rén)合作(zuò)，首次在實驗室實現了确定的糾纏純化，純化效率在理(lǐ)論上(shàng)可(kě)提高(gāo)10億倍，為(wèi)未來(lái)高(gāo)效率量子中繼提供有(yǒu)力技(jì)術(shù)支撐。該成果已在線發表于國內(nèi)的自然科學綜合性國際期刊《科學通(tōng)報》（英文版）。

盛宇波教授對澎湃新聞稱，量子通(tōng)信的優勢就是感知竊聽(tīng)，通(tōng)過檢測誤碼率來(lái)判斷有(yǒu)無竊聽(tīng)。與經典通(tōng)信類似，量子通(tōng)信在傳輸時(shí)，也會(huì)受環境噪聲影(yǐng)響而退化。噪聲導緻光子丢失，或者信号出錯，産生(shēng)誤碼率。

“如果噪聲也産生(shēng)了誤碼率，就會(huì)使得(de)我們無法區(qū)分是噪聲引起還(hái)是竊聽(tīng)引起，所以會(huì)威脅通(tōng)信安全。”盛教授表示。

而量子糾纏的純化效率提高(gāo)，可(kě)以有(yǒu)效提高(gāo)通(tōng)信效率，從而更好地發揮量子通(tōng)信能感知竊聽(tīng)這一優勢，可(kě)為(wèi)國家(jiā)信息安全提供保障。

據了解，由于其重要性，量子糾纏純化的理(lǐ)論已吸引諸多(duō)國際科學家(jiā)的關注。在此前國外的相關實驗中，為(wèi)了提高(gāo)保真度，需要重複純化大(dà)量的低(dī)保真度的量子糾纏，且此種純化存在失敗率，效率低(dī)，速度慢。美國科學院院士米哈伊爾·盧金也曾指出，對長距離量子通(tōng)信來(lái)說，受限于糾纏純化效率，第一代量子中繼速度變得(de)非常慢。

盛教授向澎湃新聞介紹，此次研究的理(lǐ)論部分是由南京郵電(diàn)大(dà)學團隊負責，實驗部分由中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學團隊負責。“提純”實驗主要借助了光學設備，超糾纏源，探測器(qì)，以及線性光學元件來(lái)實現。量子糾纏純化的具體(tǐ)操作(zuò)從理(lǐ)論上(shàng)來(lái)講，都是控制(zhì)非(CNOT)門(mén)。

而該實驗的理(lǐ)論最早源于2010年——盛教授和(hé)其導師(shī)鄧富國教授當時(shí)發表在《物理(lǐ)評論A》(PRA)上(shàng)的确定的糾纏純化理(lǐ)論。

不同種類的量子糾纏，抵抗噪聲的能力也不同。例如，極化糾纏較易操控，可(kě)用于編碼，但(dàn)傳輸過程中易受噪聲影(yǐng)響。而空(kōng)間(jiān)、時(shí)間(jiān)、頻率糾纏較為(wèi)穩定，不易受噪聲幹擾。

據此，兩位教授首先構造空(kōng)間(jiān)—極化兩個(gè)自由度的超糾纏，用不易受噪聲幹擾的空(kōng)間(jiān)糾纏，來(lái)“提純”極化糾纏。純化後，空(kōng)間(jiān)糾纏消失，但(dàn)能獲得(de)高(gāo)質量的極化糾纏。盛教授解釋，空(kōng)間(jiān)糾纏和(hé)極化糾纏都可(kě)用于量子通(tōng)信。

根據這一理(lǐ)論，此次中國科學技(jì)術(shù)大(dà)學和(hé)南京郵電(diàn)大(dà)學的兩個(gè)團隊合作(zuò)，首先在實驗室制(zhì)備了空(kōng)間(jiān)—極化超糾纏。随後，實驗團隊在極化糾纏上(shàng)加上(shàng)噪聲，再經純化操作(zuò)後，極化糾纏的保真度從0.268一下就提高(gāo)到0.989。

據盛教授，采用這一新方法，僅需要一對超糾纏，即可(kě)實現量子糾纏的純化。從理(lǐ)論上(shàng)估算(suàn)，純化效率可(kě)提高(gāo)10億倍。這對于提高(gāo)量子中繼速度十分有(yǒu)利，能夠為(wèi)未來(lái)的長距離量子通(tōng)信提供技(jì)術(shù)支撐。同時(shí)，對未來(lái)分布式量子計(jì)算(suàn)也有(yǒu)用處。