近日,中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队柳必恒研究组等,提出基于“随机存取码”的随机通信框架,在高维量子光学平台上实现高成功率的随机通信,并给出具有噪声鲁棒的高维纠缠认证方案。

量子通信被认为是未来信息科学的重要支柱,能够突破经典通信的性能极限,实现更高效、更安全的信息传输。但是,在高维量子系统中充分释放量子优势,通常依赖复杂的高维量子门操作和纠缠测量,在光子平台上实现这些操作极具挑战。目前,实验研究聚焦于二维或低维系统,高维纠缠的潜力未得到充分发挥,这影响量子密钥分发、随机数生成等前沿应用的推进,阻碍量子网络和未来量子互联网的发展。因此,在不依赖复杂纠缠测量和多光子辅助的前提下,实现可扩展的高维量子通信,成为亟待解决的核心科学问题。

针对高维纠缠测量难题,研究团队基于随机存取码,构建出一种随机通信协议。在共享n维纠缠的基础上,发送端仅通过高维移位操作与相位门(X、Z)对单光子编码两位信息x1x2;接收端无需执行纠缠测量,而是根据通信需求分别对两粒子实施Z⊗Z或X⊗X的单粒子测量。理论上,这一方案能够以确定性成功率S=1解码x1或x2。进一步,团队基于成功率对共享纠缠的维度进行认证发现,该方法具备良好的噪声鲁棒性。

在实验实现方面,团队采用路径和偏振自由度混合编码构建八维子空间,提高了高维移位操作和构建高维测量的效率,展示出优越的可扩展性。基于共享的八维纠缠,通过全出口高维测量,实现对发送方编码信息的随机解码。实验测得成功率S=0.9729±0.0001,超过七维纠缠所达到的理论成功率上界0.9677,认证了所共享的纠缠态维度不低于八维。

这一研究规避了高维系统中复杂的纠缠测量操作,凸显了高维量子通信的优势,消除了长期制约高维量子实验发展的技术瓶颈,提供了一条可扩展、高噪声鲁棒的高维纠缠认证方法。同时,实验采用的“路径+偏振”混合自编码方案,具有良好的可扩展性以及与城际光纤的兼容性,为未来高维量子通信的实用化和长距离分发奠定了技术基础。

9月17日,相关研究成果在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

论文链接

基于随机存取码的通信框架

基于路径-偏振自由度编码的八维全出口测量量子光学平台

随即通信协议实验结果