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中國科大首次實現測量設備無關的高維量子導引

2019-12-18

我校郭光燦院士團隊在量子力學基本問題研究中取得重要進展,該實驗室李傳鋒、柳必恒等人與澳大利亞的理論物理學家合作,首次實驗觀測到測量設備無關的高維量子導引,并用其產生私密量子隨機數。該研究成果2019年10月23日發表在國際權威物理學期刊《物理評論快報》上。

量子導引是介于量子糾纏和貝爾非局域性之間的一類量子非局域特性,描述了作用在糾纏粒子對中一個粒子上的局域測量能夠非局域地影響另一個粒子的狀態的能力。量子導引在量子密鑰分發、量子信道鑒別、隨機數產生等量子信息任務中具有重要應用。由于實驗設備性能有限或者存在被敵對者操控的可能性,這會給量子導引實驗帶來漏洞。以觀測糾纏光子對的量子導引為例,由于單光子探測器的效率有限,未被探測到的光子原則上可以被潛在的敵對者利用,這就使得量子導引實驗結果變得不可靠。為了解決這一問題,理論物理學家們設計出一類量子仲裁(quantum refereed)的量子導引鑒定方法,通過引入第三方的仲裁,使得量子導引實驗檢驗變得和測量設備無關。

受此啟發,李傳鋒、柳必恒等人巧妙構地造出測量設備無關的高維量子導引目擊算符,首次實驗實現了測量設備無關的高維量子導引。研究組利用參量下轉換過程在偏振和路徑自由度上制備出一系列高保真度三維糾纏態。然后仲裁者向糾纏雙方發出一系列測試要求,收集雙方數據檢驗高維量子導引不等式,測試結果最高達到1.983(0.002),遠超過三維情形的經典理論極限1.57,證實這些糾纏態具有量子導引特性。作為應用,研究組進一步將實驗觀測到的數據運用于隨機數產生,每糾纏光子對可得到1.106(0.023)比特私密量子隨機數,超出了利用兩維糾纏態所能達到的理論極限(1比特每糾纏光子對),充分展示了高維糾纏在量子信息過程中的優勢。

該工作是基于高維系統的測量設備無關量子信息任務的首次實驗嘗試,將對量子物理基本問題和測量設備無關量子信息過程的研究帶來重要推動作用。

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、中國科學院、安徽省的支持。

測量設備無關的高維量子導引及隨機數產生的實驗裝置圖和結果圖

論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.170402

(中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)

 

 

 

(來源:中國科大新聞網



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