中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學塞林格小組合作，在國際上首次成功實現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年實現(xiàn)二維量子隱形傳態(tài)實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態(tài)擴展到任意維度，為復雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。論文以編輯推薦的形式于8月15日發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《物理評論快報》上。
通過對光子、原子等微觀粒子的精確主動操縱，量子信息以一種變革性的方式對信息進行編碼、儲存和傳輸，在信息安全與計算速度等方面可突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子通信是目前唯一被證明無條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。量子計算由于其超快的并行計算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和材料設(shè)計等大規(guī)模計算難題提供解決方案。量子隱形傳態(tài)能夠借助量子糾纏將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠距離量子通信和分布式量子計算的核心功能單元。
在此之前，所有的量子隱形傳態(tài)實驗都局限于量子態(tài)的二維子空間。高維量子態(tài)的隱形傳態(tài)作為完整傳輸一個量子系統(tǒng)的最后一個待解決挑戰(zhàn)，由于其可行性理論方案和實驗技術(shù)上的雙重困難，一直懸而未決。對于高維體系，由于其以維度的平方項增多的貝爾態(tài)數(shù)量和隨之增加的復雜糾纏特性，必須發(fā)展出一套全新的可行理論方案。在實驗技術(shù)上，高維貝爾態(tài)測量需要等效地實現(xiàn)獨立光子的高維量子態(tài)之間的控制邏輯門，這也是量子信息技術(shù)的“無人區(qū)”。
解決這個關(guān)鍵問題需要理論和實驗的同步創(chuàng)新。2014年，潘建偉、陸朝陽等完成多自由度量子隱形傳態(tài)實驗后，隨即投入了對高維度課題的潛心研究。在理論上，該團隊首次提出了光子體系中可擴展至任意維度的貝爾態(tài)測量和量子隱形傳態(tài)方案；在實驗上，該團隊引入一個額外輔助光子，發(fā)展了高穩(wěn)定性多通道路徑干涉技術(shù)，開創(chuàng)了多光子多維度相互作用的實驗先河，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高維度量子隱形傳態(tài)。實驗測試了三維量子態(tài)的全部12個無偏基矢，測量了高維量子隱形傳態(tài)保真度為75%，以25個統(tǒng)計標準偏差超出了經(jīng)典界限，嚴格證明了該過程的非經(jīng)典性以及高維特性。
審稿人指出，高維量子隱形傳態(tài)是量子通信領(lǐng)域的一個長期存在的挑戰(zhàn)，解決這個挑戰(zhàn)將開啟量子力學基礎(chǔ)檢驗和量子技術(shù)的激動人心的新應(yīng)用，這是一個非常英雄式的努力，這明顯是量子通信領(lǐng)域的一個里程碑。
該研究得到了國家自然科學基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省等的支持。
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