我國實現量子糾纏高效率“提純”，未來可保障國家信息安全

我國科學家實現量子糾纏的高效率“提純”，未來可為國家信息安全提供保障。

近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恒教授研究組與南京郵電大學電子與光學工程學院、柔性電子（未來技術）學院盛宇波教授等人合作，首次在實驗室實現了確定的糾纏純化，純化效率在理論上可提高10億倍，為未來高效率量子中繼提供有力技術支撐。該成果已在線發表于國內的自然科學綜合性國際期刊《科學通報》（英文版）。

盛宇波教授對澎湃新聞稱，量子通信的優勢就是感知竊聽，通過檢測誤碼率來判斷有無竊聽。與經典通信類似，量子通信在傳輸時，也會受環境噪聲影響而退化。噪聲導致光子丟失，或者信號出錯，產生誤碼率。

“如果噪聲也產生了誤碼率，就會使得我們無法區分是噪聲引起還是竊聽引起，所以會威脅通信安全。”盛教授表示。

而量子糾纏的純化效率提高，可以有效提高通信效率，從而更好地發揮量子通信能感知竊聽這一優勢，可為國家信息安全提供保障。

據了解，由于其重要性，量子糾纏純化的理論已吸引諸多國際科學家的關注。在此前國外的相關實驗中，為了提高保真度，需要重復純化大量的低保真度的量子糾纏，且此種純化存在失敗率，效率低，速度慢。美國科學院院士米哈伊爾·盧金也曾指出，對長距離量子通信來說，受限于糾纏純化效率，第一代量子中繼速度變得非常慢。

盛教授向澎湃新聞介紹，此次研究的理論部分是由南京郵電大學團隊負責，實驗部分由中國科學技術大學團隊負責。“提純”實驗主要借助了光學設備，超糾纏源，探測器，以及線性光學元件來實現。量子糾纏純化的具體操作從理論上來講，都是控制非(CNOT)門。

而該實驗的理論最早源于2010年——盛教授和其導師鄧富國教授當時發表在《物理評論A》(PRA)上的確定的糾纏純化理論。

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，可用于編碼，但傳輸過程中易受噪聲影響。而空間、時間、頻率糾纏較為穩定，不易受噪聲干擾。 

據此，兩位教授首先構造空間—極化兩個自由度的超糾纏，用不易受噪聲干擾的空間糾纏，來“提純”極化糾纏。純化后，空間糾纏消失，但能獲得高質量的極化糾纏。盛教授解釋，空間糾纏和極化糾纏都可用于量子通信。

根據這一理論，此次中國科學技術大學和南京郵電大學的兩個團隊合作，首先在實驗室制備了空間—極化超糾纏。隨后，實驗團隊在極化糾纏上加上噪聲，再經純化操作后，極化糾纏的保真度從0.268一下就提高到0.989。

據盛教授，采用這一新方法，僅需要一對超糾纏，即可實現量子糾纏的純化。從理論上估算，純化效率可提高10億倍。這對于提高量子中繼速度十分有利，能夠為未來的長距離量子通信提供技術支撐。同時，對未來分布式量子計算也有用處。