中国科学技术大学实现远距离量子纠缠纯化

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子通信和量子网络的研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作,利用高品质的超纠缠源,首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化,纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍。该成果2021年1月8日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

量子中继是在噪声信道中实现长距离量子通信的重要途径,而量子纠缠纯化是量子中继中的关键操作,利用量子纠缠纯化操作可以从两份纠缠度较低的纠缠态中提炼出一份纠缠度较高的纠缠态。此前的纠缠纯化协议都是利用两对低纠缠度的光子对实现,而研究组与合作者提出仅需一对超纠缠光子对的纠缠纯化方案。

(a)实验概念图,(b)实验原理图。

他们实验上制备出偏振和路径分别处于纠缠态的超纠缠光子对,并在11公里长的多芯光纤里进行纠缠分发,然后进行量子纠缠纯化操作。实验结果表明,分发后的偏振纠缠和路径纠缠初始保真度均为约0.665时,纯化得到的纠缠态的保真度可以提升到0.774,而初始保真度均为约0.771时,纯化后的保真度则可提升到0.887。他们还首次将纠缠纯化用于量子密钥分发,纯化前纠缠态的纠缠度太低,产生的有效密钥率为0,而经过纯化后,有效密钥率则提升到0.371。此外,由于只需要使用一对超纠缠光子对,该方案的纯化效率(每秒大约输出400对)比此前国际上的最好水平提升了6000多倍。

该成果迈出了纠缠纯化从实验室平台到远距离的关键一步,同时大幅提升了纠缠纯化效率,为将来实现高效率的量子中继提供了有力的技术保障。

论文第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏。该研究得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省的支持。

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