我科学家实现高效率量子纠缠纯化未来可支撑高速量子通信

　　量子通信能够感知窃听，可为国家信息安全提供保障。但是量子通信在传输时，会受噪声影响而退化，这不仅严重影响通信质量，同时还威胁通信安全。为了保证量子通信准确无误，能不能对被噪声＂污染＂的量子纠缠进行高效率＂提纯＂呢？
　　近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋教授、柳必恒教授研究组与南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院盛宇波教授等人合作，首次在实验室实现了确定的纠缠纯化，纯化效率理论上可提高10亿倍，为未来高效率量子中继提供有力技术支撑。该成果已在线发表于国内的自然科学综合性国际期刊《Science Bulletin》上。
　　据了解，由于其重要性，量子纠缠纯化理论吸引了诺贝尔奖获得者、沃尔夫奖获得者、狄拉克奖获得者等一大批国际顶尖科学家的关注。然而，此前国外的相关实验，为了提高保真度，需要重复纯化大量低保真度的量子纠缠，且这种纯化存在失败的概率，失败后就需重新进行。这使其纯化效率低，速度慢。对此，美国科学院院士米哈伊尔·卢金也曾指出，受限于纠缠纯化，对长距离量子通信来说，第一代量子中继速度变得非常慢。
　　但相关研究也发现，不同种类的量子纠缠，抵抗噪声＂污染＂的能力也不同。例如，极化纠缠比较易操控，可用于编码，但是在传输过程中易受噪声影响。而空间、时间、频率纠缠则较为稳定，不易受噪声干扰。
　　由此，盛宇波和北京师范大学邓富国教授早前提出了确定的纠缠纯化理论，即首先构造空间—极化两个自由度的超纠缠，用不易受噪声干扰的空间纠缠，来＂提纯＂极化纠缠。纯化后，空间纠缠消失，但确定能获得高质量的极化纠缠。这得到了最早开展量子纠缠纯化实验的美国科学院外籍院士安东·塞林格的认可，认为有可能实现。
　　柳必恒（左）、盛宇波（中）、胡晓敏（右）在实验室内。图片由盛宇波提供。
　　确定纠缠纯化实验原理图。图片由盛宇波提供。
　　根据这一理论，此次中国科学技术大学和南京邮电大学的两个团队合作，首先在实验室制备了空间—极化超纠缠。随后实验人员在极化纠缠上加上噪声，再经纯化操作后，极化纠缠的保真度从0.268一下就提高到了0.989。
　　据盛宇波介绍，比特翻转错误和相位翻转错误，是量子纠缠中常见的两类错误。以纯化一次比特翻转错误和一次相位翻转错误为例，采用传统方式，至少需要4对纠缠，成功概率约为10 12，而采用此次新的方法，仅需要一对超纠缠，即可实现纯化。从理论上估算，纯化效率可提高10亿倍，这对于提高量子中继速度十分有利，能够为未来的长距离量子通信提供技术支撑。（光明日报全媒体记者詹媛）