近日，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)柳必恒研究組與瑞典隆德大學(xué)Armin Tavakoli博士、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Jef Pauwels博士合作，提出一種基于“隨機(jī)存取碼”的隨機(jī)通信框架，并在高維量子光學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高成功率的隨機(jī)通信，同時(shí)給出一種具有噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方案。該成果以“Quantum Stochastic Communication via High-Dimensional Entanglement”為題，于9月17日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

量子通信被廣泛認(rèn)為是未來信息科學(xué)的重要支柱，能夠突破經(jīng)典通信的性能極限，實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的信息傳輸。然而，在高維量子系統(tǒng)中充分釋放量子優(yōu)勢，通常依賴于復(fù)雜的高維量子門操作和糾纏測量（高維貝爾測量），在光子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這些操作極具挑戰(zhàn)，已成為制約實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的關(guān)鍵瓶頸。目前實(shí)驗(yàn)研究多集中于二維或低維系統(tǒng)，高維糾纏的潛力遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮。這一局限不僅影響了量子密鑰分發(fā)、隨機(jī)數(shù)生成等前沿應(yīng)用的推進(jìn)，也阻礙了量子網(wǎng)絡(luò)及未來量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。因此，如何在不依賴復(fù)雜糾纏測量和多光子輔助的前提下，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的高維量子通信，成為當(dāng)前亟待解決的核心科學(xué)問題。

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圖1.基于隨機(jī)存取碼的通信框架

針對(duì)高維糾纏測量的難題，研究團(tuán)隊(duì)基于隨機(jī)存取碼構(gòu)建了一種隨機(jī)通信協(xié)議（圖1）。在共享n維糾纏的基礎(chǔ)上，發(fā)送端僅通過高維移位操作與相位門（X、Z）對(duì)單光子編碼兩位信息x1x2，接收端則無需執(zhí)行糾纏測量，而是根據(jù)通信需求分別對(duì)兩粒子實(shí)施Z⊗Z或X⊗X的單粒子測量。該方案理論上能夠以確定性成功率S=1解碼x1或x2。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)提出基于成功率對(duì)共享糾纏的維度（Schmidt數(shù)）進(jìn)行認(rèn)證，該方法具備良好的噪聲魯棒性。

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圖2.基于路徑-偏振自由度編碼的八維全出口測量量子光學(xué)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方面，研究團(tuán)隊(duì)采用路徑和偏振自由度混合編碼構(gòu)建八維子空間（圖2），顯著提高了高維移位操作和構(gòu)建高維測量的效率，展示出優(yōu)越的可擴(kuò)展性。基于共享的八維糾纏，通過全出口高維測量實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送方編碼信息的隨機(jī)解碼，實(shí)驗(yàn)測得成功率S=0.9729±0.0001，超過了七維糾纏所能達(dá)到的理論成功率上界0.9677，從而認(rèn)證了所共享的糾纏態(tài)維度不低于八維（圖3）。

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圖3.隨即通信協(xié)議實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該研究成功規(guī)避了高維系統(tǒng)中復(fù)雜的糾纏測量操作，凸顯了高維量子通信的顯著優(yōu)勢。這一突破不僅消除了長期制約高維量子實(shí)驗(yàn)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，還提供了一條可擴(kuò)展、高噪聲魯棒的高維糾纏認(rèn)證方法。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用的“路徑+偏振”混合自編碼方案具有良好的可擴(kuò)展性以及與城際光纖的兼容性，為未來高維量子通信的實(shí)用化和長距離分發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張超博士（現(xiàn)為丹麥技術(shù)大學(xué)博士后）和博士研究生苗家樂為論文共同第一作者。中國科大特任教授胡曉敏、Jef Pauwels博士、Armin Tavakoli博士以及中國科大柳必恒研究員為該論文通訊作者。該研究工作得到了量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、安徽省科技創(chuàng)新攻堅(jiān)計(jì)劃和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/rq78-1qbh