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我校郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪聲環(huán)境下實現(xiàn)了高效的高維量子通信。該成果9月10日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

量子通信是量子信息領域最重要的應用之一。由于量子信息極易受到環(huán)境的影響，因此如何在噪聲環(huán)境下進行高效量子通信是量子信息領域的一個重要挑戰(zhàn)。相比二維體系，理論研究表明高維量子體系在信道容量和抗噪聲能力上均具有明顯的優(yōu)勢，然而要在實驗上實現(xiàn)高效的高維量子通信仍然存在挑戰(zhàn)。

近年來，李傳鋒、柳必恒研究組致力于高維量子通信網(wǎng)絡的實驗研究，在高維糾纏的制備與傳輸?shù)确矫嫒〉靡幌盗羞M展，包括制備出了世界上保真度最高的32維量子糾纏態(tài)[PRL125, 090503 (2020)]，實現(xiàn)了高維糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]等。接下來為了實現(xiàn)高效的高維量子通信，研究組必須要實現(xiàn)相對應的高效的量子測量。

在本實驗中，研究組首先利用多點泵浦的自發(fā)參量下轉換過程制備出兩光子多維（本實驗中制備了2、4、8維）路徑糾纏態(tài)，然后設計并實驗實現(xiàn)了多維量子態(tài)的多出口測量裝置，可分別對兩個光子進行多達8輸出的探測。為了研究環(huán)境噪聲對高維量子通信的影響，研究組采用LED對單光子探測器照射的辦法引入環(huán)境雜散光，通過調節(jié)LED的亮度即可方便的調節(jié)環(huán)境噪聲的大小。研究組以基于糾纏的量子密鑰分發(fā)為例進行了實驗研究。研究結果表明：在噪聲較小時，高維全空間編碼能取得最佳的編碼效率。具體而言，利用4維糾纏態(tài)和8維糾纏態(tài)，經(jīng)過糾錯和保密放大等后處理后，每對糾纏光子依然可以得到大于1比特的密鑰，超越了兩維比特系統(tǒng)所能達到的極限。而隨著噪聲增大，采用高維部分子空間編碼的方式則更能對抗噪聲的影響，實驗結果顯著優(yōu)于兩維比特系統(tǒng)，從而保證在高噪聲環(huán)境中依然能實現(xiàn)高效的高維量子通信。

該成果實驗驗證了高維量子通信的優(yōu)勢，并為不同大小噪聲環(huán)境下實現(xiàn)高效的高維量子通信過程提供了可行的途徑。

文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室特任副研究員胡曉敏博士。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持，柳必恒研究員是中國科學技術大學仲英青年學者。

圖1：實驗裝置圖

圖2：實驗結果圖。橫坐標為環(huán)境噪聲的強度?？v坐標為每對光子能產(chǎn)生的密鑰比特數(shù)。其中d為糾纏態(tài)的維度數(shù)，k為子空間的維度數(shù)。最下邊的一條線對應兩維比特系統(tǒng)。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.110505

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）