受访者供图
量子通信研究领域 ， 中国在赛道上已经领先一个身位 ， 无论理论研究还是技术应用和项目实施落地 ， 都已走在世界的前列 。 两个多月之前 ， 中国科大成员李传锋、陈耕、张文豪等人在测量设备“不可信”的条件下 ， 实验获知了未知量子纠缠态的保真度 ， 首次在国际上实现了量子纠缠态的自检验 。 研究成果发表在国际权威期刊《物理评论快报》上 。
近日 ， 郭光灿院士团队再度于《物理评论快报》发表论文 ， 他们把量子纠缠态的非局域性和贝尔基测量定量地联系起来 ， 从而首次在国际上实现了纠缠交换过程中贝尔基测量的自检验 。
不再依赖于测量设备的可靠性
要实现量子通信、量子计算 ， 首先要实现量子纠缠 ， 但如何检验量子间是否已形成了“纠缠态” ， 成为量子领域科学家们竞相攻克的难题 。
量子通讯的特性之一是保密度高 ， 但也不是绝对地无机可乘 ， 其中仍然存在某些细微的漏洞 ， 科技人员对因此出现的缺陷必须予以弥补 。 比如用于纠缠态信息测定的量子态层析方法 ， 类似于医院的CT扫描 ， 通过“一层层扫描”重构出纠缠态的形式 ， 进而获得纠缠态的保真度等重要信息 。 但这个方法依赖于测量设备的准确性和可靠性 ， 不能用于承担对安全性有要求的量子信息任务 。 比如量子通信的检测设备如果被窃听者所控制 ， 那么就会对量子通信的保密性造成威胁 。
为应对这一问题弥补缺陷 ， 科学家曾提出“贝尔不等式违背”等纠缠度量方法 ， 可以不依赖检测设备的可信度进行量子纠缠自检验 。 只是 ， 国际学界做了大量理论研究 ， 而相关实验还是空白 。
中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋等人巧妙设计出一种新方法 ， 实验实现了对2个比特和3个比特量子纠缠态的自检验实验 。 他们针对不同形式的量子纠缠态 ， 在测量设备“不可信”的条件下 ， 获得了未知量子态的保真度信息 ， 并与传统的量子态层析结果比对 ， 证实了自检验结果的可靠性 。
“这是国际上首个具有‘高可靠、抗干扰’特性的纠缠态自检验实验 ， 为把自检验推广应用于各种量子信息过程 ， 及推进量子通信和量子计算研究打下重要基础 。 ”中科院量子信息重点实验室韩正甫教授告诉科技日报采访人员 。
纠缠交换自检 ， “击鼓传花”不失真
“量子纠缠是量子通信和量子计算的重要资源 。 在构建量子纠缠网络的过程中 ， 不仅需要制备高品质的量子纠缠态 ， 还需要在节点之间进行高品质的纠缠交换 ， 才能把各个节点纠缠起来 。 ”中科院量子信息重点实验室黄安琪博士告诉科技日报采访人员 ， 要想构建量子纠缠网络的一个关键步骤 ， 就要在分开的节点间建立纠缠 。 由于传输信道（通常是指光纤）存在着损耗 ， 目前地面上量子纠缠分发的距离被限制在百公里量级 。
“如果想把超过这个距离的两个节点纠缠起来 ， 就需要量子中继 ， 这通常是由纠缠交换过程来实现 。 ”黄安琪对采访人员说 ， 纠缠交换具体是指分开的两个节点A和B各制备一对纠缠光子 ， 然后分别把其中一个发给中间节点C来进行贝尔态测量 ， 那么A和B所持有的剩下的两个光子就会纠缠起来 。 通过将这种方法继续扩展 ， 理论上即可实现长距离的纠缠分配 。
“但是在实际操作过程中 ， 纠缠态和纠缠交换都不可能是完美的 ， 这最终会成为限制纠缠网络规模和传输距离的重要因素 ， 所以有必要对纠缠态和纠缠交换的品质进行检验 。 ”黄安琪说 。
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