中国科大等首次实现高维量子隐形传态

本站原创 2024-03-12 11:16:00

【视频：20190818 我国首次实现高维量子隐形传态】

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与奥地利维也纳大学塞林格团队合作，在国际上首次成功实现高维量子系统中的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家首次从理论上和实验上将量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整状态传输和高效量子网络的发展奠定了坚实的基础。。科学依据。论文于8月15日以编辑推荐的形式发表在国际学术期刊Physical Review Letters上。美国物理学会《物理》杂志、英国物理学会《物理世界》网站、《科学美国人》等国际学术和科普媒体均对这项工作进行了报道。

量子信息通过对光子、原子等微观粒子的精确主动操控，以革命性的方式编码、存储和传输信息，可以突破经典信息技术在信息安全和计算速度方面的瓶颈。量子通信是目前唯一被证明无条件安全的通信方式，能够有效解决信息安全传输问题。量子计算凭借其超快的并行计算能力，有望为密码分析、大数据处理和材料设计等大规模计算挑战提供解决方案。量子隐形传态可以利用量子纠缠将未知的量子态传输到远程位置，而无需传输材料本身。它是远距离量子通信和分布式量子计算的核心功能单元。

要真正实现复杂量子物理系统的完整状态传输并应用于可扩展的量子信息技术，量子隐形传态需要向多体、多终端、多自由度、高维度、长距离迈进。真实的物理系统往往包含多个粒子，每个粒子包含多个自由度，每个自由度可以有多个维度。围绕这一重要目标，潘建伟和同事们进行了长期的探索和耕耘。 1997年，潘建伟和奥地利同事首次实现了独立光子偏振态量子隐形传态的实验验证。这项工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论以及沃森和克里克发现DNA双螺旋结构联系在一起。等影响世界的重大科技成果入选《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。 2004年，潘建伟团队演示了终端开放的量子隐形传态[Nature 430, 54 (2004)]。 2006年，该团队实现了双光子复合系统的量子隐形传态[Nature Chemistry 2, 678 (2006)]。 2015年，团队实现了单光子多自由度隐形传态[Nature 518, 516 (2015)]。 2017年，基于墨子号量子科学实验卫星，团队将量子隐形传态的距离推至数千公里量级[Nature 549, 70 (2017)]。

迄今为止，所有量子隐形传态实验都仅限于量子态的二维子空间。高维量子态隐形传输作为完全传输量子系统的最后一个未解决的挑战，由于其可行的理论解决方案和实验技术的双重困难而一直悬而未决。对于高维系统，由于贝尔态的数量随着维度的平方项而增加，以及随之而来的复杂纠缠特性的增加，必须开发一套新的可行的理论解决方案。在实验技术方面，高维贝尔态测量需要独立光子高维量子态之间的控制逻辑门的等效实现，这也是量子信息技术的无人区。

解决这一关键问题需要理论和实验的同步创新。 2014年，潘建伟、陆朝阳等人完成多自由度量子隐形传态实验后，立即投入五年时间对高维课题进行深入研究。理论上，团队首次提出了可扩展到任意维度的光子系统中的贝尔态测量和量子隐形传态方案；实验上，团队引入额外的辅助光子，开发出高稳定的多通道路径干涉技术，开创了多光子多维相互作用的实验，并在此基础上实现了高维量子隐形传态。本实验测试了三维量子态的全部12个无偏基向量，测得高维量子隐形传态的保真度为75%，超出经典极限25个统计标准差，严格证明了非过程的均匀性。经典和高维属性。

审稿人指出：“高维量子隐形传态是量子通信领域长期存在的挑战”、“解决这一挑战将开启量子力学的基础测试，并激发量子技术的新应用”、“这是一个非常这是一项英勇的努力”，“这显然是量子通信领域的一个里程碑。” 美国物理学会《物理》杂志对该工作的总结指出：“首次实现三维量子态隐形传态实验，为传输粒子的完整量子态铺平了道路。”

该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、教育部、安徽省的支持。