中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在量子通信實驗研究中取得重要進(jìn)展，該實驗室李傳鋒、柳必恒等人與香港大學(xué)理論物理學(xué)家合作，首次實現(xiàn)量子信道因果序的相干疊加，證實這種非定序因果結(jié)構(gòu)相比標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論在傳輸經(jīng)典信息和量子信息上都具有優(yōu)勢，該成果1月24日發(fā)表在國際物理學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。

香農(nóng)理論是經(jīng)典信息論的基礎(chǔ)，其中信息載體是經(jīng)典系統(tǒng)。如果把信息載體推廣到量子系統(tǒng)則得到標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論，它是量子通信與量子信息的基礎(chǔ)，已經(jīng)在量子信息壓縮、噪聲信道中的信息傳輸、糾纏輔助的量子通信等方面取得了極大的成功。需要指出的是，在標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論中，量子信息載體的傳輸路徑仍然是確定的，沒有量子化。

眾所周知，通信網(wǎng)絡(luò)（無論是經(jīng)典還是量子通信網(wǎng)絡(luò)）是搭建在經(jīng)典時空中的，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的因果順序都是確定的。比如一封郵件會經(jīng)過一個個的中間服務(wù)器最終達(dá)到收件人的郵箱，這些中間服務(wù)器的順序都是定好的。一個有趣的情形是如果時空是量子化的，則節(jié)點間的因果順序是可以進(jìn)行量子疊加的。例如在一種時空結(jié)構(gòu)中信息從A經(jīng)過B，C到達(dá)D，即因果順序為ABCD，而在另一種時空結(jié)構(gòu)中因果順序卻是ACBD，如果時空是量子化的，則這兩種因果順序ABCD和ACBD是可以量子疊加的。還有一種更容易理解的情形是在我們的經(jīng)典時空中，信息載體的傳輸路徑允許處于幾種可能路徑的量子疊加狀態(tài)。這兩種情形都超越了標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論，這類研究被一些國際同行稱為香農(nóng)理論的二次量子化，是近期量子信息理論研究的熱點，其目標(biāo)是建立比標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論更廣義的量子通信理論。

近兩年的理論研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)多個信道連接順序處于相干疊加態(tài)時，經(jīng)典信息和量子信息的傳輸速率相比標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論都有進(jìn)一步的提升。受此啟發(fā)，李傳鋒、柳必恒等人通過構(gòu)造光學(xué)量子開關(guān)，實現(xiàn)了兩個信道兩種連接順序的相干疊加，利用相位鎖定技術(shù)使得相干疊加操作的保真度達(dá)到97%以上。在此基礎(chǔ)上，利用完全偏振消相干信道和糾纏破壞信道分別實現(xiàn)了經(jīng)典信息和量子信息的高保真度傳輸，實驗結(jié)果均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論通信模型（傳輸路徑不相干疊加）的結(jié)果。

該工作是國際上首個利用量子信道因果序的相干疊加實現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論的量子通信的原理性實驗驗證，是香農(nóng)理論二次量子化的重要一步。此外，信道連接順序的相干疊加被證實是一種非定序的因果結(jié)構(gòu)，這種新奇的量子資源在其他量子信息過程，如量子計算和量子精密測量等，以及在量子時空的模擬中也有重要用途。

圖1、非定序因果結(jié)構(gòu)信道的信息傳輸實驗裝置圖。

圖2、非定序因果結(jié)構(gòu)信道的信息傳輸實驗結(jié)果圖。（a）經(jīng)典信息（b）量子信息。

文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生郭鈺。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省的支持。