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6000 倍效率提升,中国科大实现 11 公里量子纠缠纯化

当前,以量子信息科学为代表的量子科技不断进步,形成新的科学前沿,激发科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。世界各国都对其高度关注,各大科技公司、研究院也纷纷布局。

我国作为科技强国,高度重视量子信息科技的发展,在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。

来自中国科大的消息显示,近日,中国科大郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作,利用高品质的超纠缠源,首次实现了 11 公里的远距离量子纠缠纯化,纯化效率比此前国际最好水平提升了 6000 多倍,在量子通信和量子网络的研究中取得了重要进展。

据悉,在量子通信传输中,如何实现远距离量子通信一直以来都是国际研究的热点。对于这一问题,目前主要有两种解决方案:

其一是在几乎真空,量子信号损耗极小的外太空,利用卫星扩展量子通信距离。例如,我国于 2016 年成功发射了国际首颗量子科学实验卫星 “墨子号”,成功验证了这一方案的可行性;

其二则是在光纤网络中使用量子中继器,将一段长距离光纤信道分割成多段距离比较短的信道,使得量子信号不再随距离的增加而指数衰减,从而扩展量子通信距离。

谈及量子中继,它是在噪声信道中实现长距离量子通信的重要途径,具有重要科学研究和应用价值,国际上关于量子中继器研究的竞争非常激烈。传统量子中继器需要基于纠缠交换、纠缠纯化、量子存储三个必不可少的技术。

其中,量子纠缠纯化是量子中继中的关键操作,利用量子纠缠纯化操作可以从两份纠缠度较低的纠缠态中提炼出一份纠缠度较高的纠缠态。此前的纠缠纯化协议都是利用两对低纠缠度的光子对实现,而研究组与合作者提出仅需一对超纠缠光子对的纠缠纯化方案。

如何提纯高品质的量子纠缠态?

研究团队通过制备出偏振和路径分别处于纠缠态的超纠缠光子对,并在 11 公里长的多芯光纤里进行纠缠分发,然后进行量子纠缠纯化操作。实验结果表明,分发后的偏振纠缠和路径纠缠初始保真度均为约 0.665 时,纯化得到的纠缠态的保真度可以提升到 0.774,而初始保真度均为约 0.771 时,纯化后的保真度则可提升到 0.887。

除此之外,研究团队首次将纠缠纯化用于量子密钥分发,使有效密钥率从 0 提升至 0.371。

(a)实验概念图,(b)实验原理图。

中国科大取得的这一成果可以说是迈出了纠缠纯化从实验室平台到远距离的关键一步,同时大幅提升了纠缠纯化效率,为将来实现高效率的量子中继提供了有力的技术保障。

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