中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子信道的研究中取得新進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、許金時(shí)研究組與其合作者深入研究噪聲信道量子容量的激活問題，在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了零容量量子信道中量子信息的雙向傳輸。該成果于2016年1月8日發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》雜志上。

信道容量是通訊領(lǐng)域最基本的問題，它刻畫了信道在噪聲環(huán)境下有效地傳輸信息的能力。經(jīng)典信道的容量問題可由香農(nóng)第二定理很好地描述，然而量子信道的容量問題要復(fù)雜得多。量子信道不僅可以傳輸經(jīng)典信息，還可以傳輸私密信息和量子信息，每種情況對應(yīng)一個(gè)信道容量。標(biāo)準(zhǔn)的量子信道理論與經(jīng)典理論相類似，假定信道之間是相互獨(dú)立的，得到了一系列有趣的結(jié)果。然而真實(shí)的量子信道可能更加復(fù)雜。

李傳鋒、許金時(shí)等人選擇保偏光纖進(jìn)行深入研究。保偏光纖具有極強(qiáng)的相位消相干，能否利用它來有效地傳輸量子信息是個(gè)問題。研究組利用量子通訊領(lǐng)域最近發(fā)展的理論工具來刻畫光纖的信道容量。他們首先實(shí)驗(yàn)測定單根120米左右長度的保偏光纖的量子容量為零，也就是說一次性使用單根保偏光纖是不能傳輸量子信息的，這是消相干太強(qiáng)導(dǎo)致的必然結(jié)果。接下來他們對兩根相同的保偏光纖進(jìn)行編碼，構(gòu)成一個(gè)量子信道干涉儀，從而把量子容量為零的保偏光纖激活。激活后兩個(gè)保偏光纖將不再獨(dú)立，而是相互關(guān)聯(lián)起來構(gòu)造出一個(gè)無消相干子空間，從而有效地進(jìn)行量子信息傳輸。為了提高光纖噪聲的關(guān)聯(lián)度，實(shí)驗(yàn)中他們將兩根光纖纏繞在一起。實(shí)驗(yàn)測得兩根量子容量為零的保偏光纖聯(lián)合使用時(shí)的量子容量大于0.6。量子信道干涉儀內(nèi)有兩個(gè)輸入口和兩個(gè)輸出口，通過改變干涉儀內(nèi)半波片的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)量子信息在噪聲信道中的單向傳輸或雙向傳輸。他們還進(jìn)一步驗(yàn)證了量子糾纏在這種裝置下傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

該成果演示了一種在噪聲信道中傳輸量子信息的有效方法，可用于不同量子系統(tǒng)的通訊和對接，為構(gòu)建小型量子糾纏網(wǎng)絡(luò)提供了新思路。同時(shí)為豐富量子通訊理論框架提供了新的物理平臺(tái)。

上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

標(biāo)準(zhǔn)量子信道理論(A)與干涉激活技術(shù)(B)的對比。(A)編碼以后每個(gè)光子經(jīng)過一個(gè)信道或者光子一個(gè)接一個(gè)經(jīng)過一串信道。(B)編碼后一個(gè)光子同時(shí)經(jīng)過兩個(gè)信道。

實(shí)驗(yàn)裝置圖

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)