中國科大實現零容量量子信道的量子信息有效傳輸

　　中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子信道的研究中取得新進展。該實驗室李傳鋒、許金時研究組與其合作者深入研究噪聲信道量子容量的激活問題，在實驗上首次實現了零容量量子信道中量子信息的雙向傳輸。該成果于2016年1月8日發表在《科學·進展》雜志上。

　　信道容量是通訊領域最基本的問題，它刻畫了信道在噪聲環境下有效地傳輸信息的能力。經典信道的容量問題可由香農第二定理很好地描述，然而量子信道的容量問題要復雜得多。量子信道不僅可以傳輸經典信息，還可以傳輸私密信息和量子信息，每種情況對應一個信道容量。標準的量子信道理論與經典理論相類似，假定信道之間是相互獨立的，得到了一系列有趣的結果。然而真實的量子信道可能更加復雜。

　　李傳鋒、許金時等人選擇保偏光纖進行深入研究。保偏光纖具有極強的相位消相干，能否利用它來有效地傳輸量子信息是個問題。研究組利用量子通訊領域最近發展的理論工具來刻畫光纖的信道容量。他們首先實驗測定單根120米左右長度的保偏光纖的量子容量為零，也就是說一次性使用單根保偏光纖是不能傳輸量子信息的，這是消相干太強導致的必然結果。接下來他們對兩根相同的保偏光纖進行編碼，構成一個量子信道干涉儀，從而把量子容量為零的保偏光纖激活。激活后兩個保偏光纖將不再獨立，而是相互關聯起來構造出一個無消相干子空間，從而有效地進行量子信息傳輸。為了提高光纖噪聲的關聯度，實驗中他們將兩根光纖纏繞在一起。實驗測得兩根量子容量為零的保偏光纖聯合使用時的量子容量大于0.6。量子信道干涉儀內有兩個輸入口和兩個輸出口，通過改變干涉儀內半波片的設置，可以實現量子信息在噪聲信道中的單向傳輸或雙向傳輸。他們還進一步驗證了量子糾纏在這種裝置下傳輸的可靠性。

　　該成果演示了一種在噪聲信道中傳輸量子信息的有效方法，可用于不同量子系統的通訊和對接，為構建小型量子糾纏網絡提供了新思路。同時為豐富量子通訊理論框架提供了新的物理平臺。

　　 上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、量子信息與量子科技前沿協同創新中心的支持。

　　 標準量子信道理論(A)與干涉激活技術(B)的對比。(A)編碼以后每個光子經過一個信道或者光子一個接一個經過一串信道。(B)編碼后一個光子同時經過兩個信道。

　　實驗裝置圖