中國科大首次實現高維度量子隱形傳態

據中國科學技術大學網站8月18日消息，中國科學技術大學潘建偉、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高維度量子體系的隱形傳態。這是自1997年實現二維量子隱形傳態實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態擴展到任意維度，為複雜量子系統的完整態傳輸以及發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎。論文以編輯推薦的形式於8月15日發表在國際權威學術期刊《物理評論快報》上。包括美國物理學會的Physics雜誌、英國物理學會Physics World網站、《科學美國人》在內的國際權威學術和科普媒體對該工作進行了專題亮點報道。

《物理評論快報》以編輯推薦的形式發表高維量子隱形傳態並在做亮點報道 本文圖片均來自中國科學技術大學網站

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典信息技術的瓶頸。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。量子計算由於其超快的並行計算能力，有望為密碼分析、大數據處理和材料設計等大規模計算難題提供解決方案。量子隱形傳態能夠藉助量子糾纏將未知的量子態傳輸到遙遠地點，而不用傳送物質本身，是遠距離量子通信和分佈式量子計算的核心功能單元。

要真正實現複雜量子物理系統的完整態傳輸，並把它應用於可擴展的量子信息技術，量子隱形傳態需要走向多體、多終端、多自由度、高維度和遠距離。真實的物理體系往往包括多個粒子，每個粒子包含多種自由度，而每個自由度又可以有多個維度。專注於此重大目標，潘建偉及其同事進行了長期探索和耕耘。1997年，潘建偉和奧地利同事們首次實現了獨立光子偏振態的量子隱形傳態的實驗驗證，該工作隨後與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜誌“百年物理學21篇經典論文”。2004年，潘建偉團隊演示了終端開放的量子隱形傳態 [Nature 430, 54 (2004)]。2006年，該團隊實現了兩光子複合系統的量子隱形傳態 [Nature Physics 2, 678 (2006)]。2015年，團隊實現了單光子多自由度的隱形傳態 [Nature 518, 516 (2015)]。2017年，基於墨子號量子科學實驗衞星，團隊將量子隱形傳態的距離推進至千公里量級 [Nature 549, 70 (2017)]。

《物理世界》網站報道高維量子隱形傳態的示意圖

迄今為止，所有的量子隱形傳態實驗都侷限於量子態的二維子空間。高維量子態的隱形傳態作為完整傳輸一個量子系統的最後一個待解決挑戰，由於其可行性理論方案和實驗技術上的雙重困難，一直懸而未決。對於高維體系，由於其以維度的平方項增多的貝爾態數量和隨之增加的複雜糾纏特性，必須發展出一套全新的可行理論方案。在實驗技術上，高維貝爾態測量需要等效地實現獨立光子的高維量子態之間的控制邏輯門，這也是量子信息技術的無人區。

解決這個關鍵問題需要理論和實驗的同步創新。2014年，潘建偉、陸朝陽等完成多自由度量子隱形傳態實驗後，隨即投入了對高維度課題的五年的潛心研究。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測量和量子隱形傳態方案；在實驗上，該團隊引入一個額外輔助光子，發展了高穩定性多通道路徑干涉技術，開創了多光子多維度相互作用的實驗先河，在此基礎上實現了高維度量子隱形傳態。該實驗中測試了三維量子態的全部12個無偏基矢，測量了高維量子隱形傳態保真度為75%，以25個統計標準偏差超出了經典界限，嚴格證明了該過程的非經典性以及高維特性。

審稿人指出：“高維量子隱形傳態是量子通信領域的一個長期存在的挑戰”(the demonstration of higher dimensional teleportation has been a long-standing goal in the field of quantum communication)，“解決這個挑戰將開啓量子力學基礎檢驗和量子技術的激動人心的新應用”(Solving this outstanding experimental challenge would lead to exciting new applications for quantum technologies and fundamental tests of quantum mechanics)，“這是一個非常英雄式的努力”(a pretty heroic effort)，“這明顯是量子通信領域的一個里程碑”(it is certainly true that the work presented here represents a milestone for the field of quantum communication)。美國物理學會Physics雜誌對該工作的總結指出：“這首次實現三維量子態隱形傳態實驗為傳輸粒子的完整量子態鋪平了道路”(The first experiment to teleport qutrits rather than qubits paves the way to teleporting the complete quantum state of particle)。

《科學美國人》雜誌報道高維量子隱形傳態的示意圖。

該研究得到了自然科學基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省等的支持。