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近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊柳必恒研究組等，提出基于“隨機存取碼”的隨機通信框架，在高維量子光學(xué)平臺上實現(xiàn)高成功率的隨機通信，并給出具有噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方案。

量子通信被認(rèn)為是未來信息科學(xué)的重要支柱，能夠突破經(jīng)典通信的性能極限，實現(xiàn)更高效、更安全的信息傳輸。但是，在高維量子系統(tǒng)中充分釋放量子優(yōu)勢，通常依賴復(fù)雜的高維量子門操作和糾纏測量，在光子平臺上實現(xiàn)這些操作極具挑戰(zhàn)。目前，實驗研究聚焦于二維或低維系統(tǒng)，高維糾纏的潛力未得到充分發(fā)揮，這影響量子密鑰分發(fā)、隨機數(shù)生成等前沿應(yīng)用的推進(jìn)，阻礙量子網(wǎng)絡(luò)和未來量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。因此，在不依賴復(fù)雜糾纏測量和多光子輔助的前提下，實現(xiàn)可擴(kuò)展的高維量子通信，成為亟待解決的核心科學(xué)問題。

針對高維糾纏測量難題，研究團(tuán)隊基于隨機存取碼，構(gòu)建出一種隨機通信協(xié)議。在共享n維糾纏的基礎(chǔ)上，發(fā)送端僅通過高維移位操作與相位門（X、Z）對單光子編碼兩位信息x1x2；接收端無需執(zhí)行糾纏測量，而是根據(jù)通信需求分別對兩粒子實施Z?Z或X?X的單粒子測量。理論上，這一方案能夠以確定性成功率S=1解碼x1或x2。進(jìn)一步，團(tuán)隊對共享糾纏的維度進(jìn)行認(rèn)證發(fā)現(xiàn)，該方法具備良好的噪聲魯棒性。

在實驗實現(xiàn)方面，團(tuán)隊采用路徑和偏振自由度混合編碼構(gòu)建八維子空間，提高了高維移位操作和構(gòu)建高維測量的效率，展示出優(yōu)越的可擴(kuò)展性。基于共享的八維糾纏，通過全出口高維測量，實現(xiàn)對發(fā)送方編碼信息的隨機解碼。實驗測得成功率S=0.9729±0.0001，超過七維糾纏所達(dá)到的理論成功率上界0.9677，認(rèn)證了所共享的糾纏態(tài)維度不低于八維。

這一研究規(guī)避了高維系統(tǒng)中復(fù)雜的糾纏測量操作，凸顯了高維量子通信的優(yōu)勢，消除了長期制約高維量子實驗發(fā)展的技術(shù)瓶頸，提供了一條可擴(kuò)展、高噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方法。同時，實驗采用的“路徑+偏振”混合自編碼方案，具有良好的可擴(kuò)展性以及與城際光纖的兼容性，為未來高維量子通信的實用化和長距離分發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

9月17日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

基于隨機存取碼的通信框架

基于路徑-偏振自由度編碼的八維全出口測量量子光學(xué)平臺

隨即通信協(xié)議實驗結(jié)果