中国科大创造密集编码量子通信信道容量新纪录

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中国科大郭光灿院士团队在量子通信研究中取得新进展，该团队李传锋、柳必恒等人首次利用四维纠缠态实现量子密集编码，达到2.09的信道容量，创造了当前国际最高水平。该成果充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势。该成果7月20日发表在国际权威期刊《科学·进展》上。

量子密集编码是最重要的量子保密通信过程之一。以比特系统为例，初始时A和B两人共享一对纠缠光子，A编码2比特的经典信息在其光子上，并把光子发送到B，然后B对其手里的两个光子进行贝尔基测量，解码得到A发送的2比特信息。在这个过程中A只发送了1个量子比特到B，但是B却接收到了2比特的经典信息。衡量密集编码的重要指标是信道容量，即A向B发送一个光子所能传输的比特数。在比特系统中，量子密集编码的信道容量极限为2。量子密集编码的思想自1992年提出，1996年在光学系统中首次实现[PRL 76, 4656 (1996)]。由于无法实现完全的贝尔基测量，当时利用一对纠缠光子仅传送1.13个经典比特，即信道容量为1.13。10余年后的2008年，利用超纠缠，量子密集编码的信道容量被提升到1.63 [Nat. Phys. 4, 282 (2008)]。又过了近10年后的2017年，基于完全的贝尔基测量，这一纪录才被更新为1.665 [PRL 118, 050501 (2017)]。

相比比特系统的二维纠缠，高维纠缠具有信道容量高、抵抗窃听能力强等优势，近年来被学术界广泛关注。李传锋、柳必恒等人在自主研制的高品质三维纠缠源[PRL 117, 170403 (2016)]基础上，进一步制备出偏振-路径复合的四维纠缠源，保真度达到98%。他们利用这种四维纠缠源成功识别了五类贝尔态，并实验演示了量子密集编码，一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限2，充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势，为高维纠缠在量子信息领域的深入研究打下重要基础。

审稿人对该工作给予了高度评价：“这绝对是在尝试实现密集编码的相当长的一系列量子光学实验中最好的，我强烈推荐发表！”(This is definitely the best in a rather long line of quantum optics experiments trying to realize superdense coding, and I strongly support its publication.）

“据我所知，作者首次在d> 2维系统中展示了他们可以在实验中超越经典极限。他们使用d = 4来传输超过2比特/次。 这是一项了不起的技术成就，我向作者表示祝贺。”(Here, to the best of my knowledge, the authors show for the first time in a d>2-dimensional system that they can beat the classical limit in an experiment: They use d=4 to transmit more than 2bit per shot. This is a remarkable technical achievement, and I congratulate the authors to this result.)

论文的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士生胡晓敏和郭钰。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部的支持。