中国科学技术大学首次实验验证量子信道容量的不可加性

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发布:2021-11-10 14:59

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子信道容量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺等人与牛津大学RajPatel资深研究员合作,首次设计并实验实现了一种特殊的“退相并擦除”(dephrasure)量子信道,并在该量子信道中验证了量子相干信息的不可加性。该研究成果2020年8月6日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

信道容量是通信领域最基本的问题,也是衡量通信信道在噪声环境中通信能力的一个关键参数。量子信道是指基于量子纠缠的信息通道,它不仅可用来传输通常意义下的经典信息,还能传输保密的经典信息和神秘的量子信息。所以对一个量子信道而言,其信道容量的概念在传输不同种类信息的情况下,就有多种表现形式:1)经典容量,它表示信道传送经典信息的能力;2)私密容量,它描述了在第三方截获信息少到可忽略的情况下,信道可以传输的最大经典比特数;3)量子容量,它表示信道传输量子信息的能力,并由相干信息的最大值来定义。量子信息诞生后,人们猜想量子信道与经典信道一样,其信道容量都具有可加性,经过十余年的理论研究,人们先后发现量子信道的经典容量和量子容量均具有不可加性。郭光灿团队的博士生李科甘坐冷板凳,潜心研究了五年时间终于攻下“私密容量不可加性”这个世界性难题,论文发表在2009年《物理评论快报》上(Phys.Rev.Lett.103,120501),学界称赞这项成果“使得不可加性的三部曲得以完成”。这种奇异的“不可加”现象在香农的经典容量理论中是不会出现的。

量子信道容量不可加性示意图

所谓不可加性就好比一个人的左耳和右耳都听不到声音,但把两只耳朵一起用时,却能够听得十分清楚。量子信道容量的不可加性虽然在理论上已经有了充分的研究,但是要在实验上观测到“不可加”的现象却是十分困难的。因为在常见的量子信道中,不可加性的效应十分微弱,难以实验观测。为了能实际观测到这一现象,李传锋研究组在实验上构建了一种同时具有“退相”和“擦除”性质的量子信道,即“退相并擦除”(dephrasure)量子信道,首次明显且直接地观测到了量子容量中相干信息的不可加性。在实验中,研究人员搭建了一套具有n次复用能力的量子信道(n-foldquantumchannel)。相干信息的不可加性在实验中就体现在使用两条具有单次复用能力的信道下测得的相干信息,并不等于使用一条具有双重复用信道的相干信息。同时,研究人员还发现,在使用双重和三重复用的信道时,其相干信息与在使用单重复用信道下测得的结果存在着明显的差值:在单重复用信道下测得相干信息量为零的情况下,双重和三重复用信道下的相干信息依旧存在。这就证明了量子相干信息的不可加性。

本成果对证明量子相干信息的不可加性和量子信道容量的测量都具有重要意义。审稿人评价“该实验研究对信息科学和量子技术领域都会有很大的帮助”。该工作构建了一个很有用的实验平台,即“退相并擦除”信道,为量子信息论的深入实验研究打下基础。

该文章的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室的俞上博士和博士研究生孟雨。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。

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