我国实现量子纠缠高效率“提纯”，未来可保障国家信息安全

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒教授研究组与南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院盛宇波教授等人合作，首次在实验室实现了确定的纠缠纯化，纯化效率在理论上可提高10亿倍，为未来高效率量子中继提供有力技术支撑。该成果已在线发表于国内的自然科学综合性国际期刊《科学通报》（英文版）。

盛宇波教授对澎湃新闻称，量子通信的优势就是感知窃听，通过检测误码率来判断有无窃听。与经典通信类似，量子通信在传输时，也会受环境噪声影响而退化。噪声导致光子丢失，或者信号出错，产生误码率。

“如果噪声也产生了误码率，就会使得我们无法区分是噪声引起还是窃听引起，所以会威胁通信安全。”盛教授表示。

而量子纠缠的纯化效率提高，可以有效提高通信效率，从而更好地发挥量子通信能感知窃听这一优势，可为国家信息安全提供保障。

据了解，由于其重要性，量子纠缠纯化的理论已吸引诸多国际科学家的关注。在此前国外的相关实验中，为了提高保真度，需要重复纯化大量的低保真度的量子纠缠，且此种纯化存在失败率，效率低，速度慢。美国科学院院士米哈伊尔·卢金也曾指出，对长距离量子通信来说，受限于纠缠纯化效率，第一代量子中继速度变得非常慢。

盛教授向澎湃新闻介绍，此次研究的理论部分是由南京邮电大学团队负责，实验部分由中国科学技术大学团队负责。“提纯”实验主要借助了光学设备，超纠缠源，探测器，以及线性光学元件来实现。量子纠缠纯化的具体操作从理论上来讲，都是控制非(CNOT)门。

而该实验的理论最早源于2010年——盛教授和其导师邓富国教授当时发表在《物理评论A》(PRA)上的确定的纠缠纯化理论。

不同种类的量子纠缠，抵抗噪声的能力也不同。例如，极化纠缠较易操控，可用于编码，但传输过程中易受噪声影响。而空间、时间、频率纠缠较为稳定，不易受噪声干扰。

据此，两位教授首先构造空间—极化两个自由度的超纠缠，用不易受噪声干扰的空间纠缠，来“提纯”极化纠缠。纯化后，空间纠缠消失，但能获得高质量的极化纠缠。盛教授解释，空间纠缠和极化纠缠都可用于量子通信。

根据这一理论，此次中国科学技术大学和南京邮电大学的两个团队合作，首先在实验室制备了空间—极化超纠缠。随后，实验团队在极化纠缠上加上噪声，再经纯化操作后，极化纠缠的保真度从0.268一下就提高到0.989。

据盛教授，采用这一新方法，仅需要一对超纠缠，即可实现量子纠缠的纯化。从理论上估算，纯化效率可提高10亿倍。这对于提高量子中继速度十分有利，能够为未来的长距离量子通信提供技术支撑。同时，对未来分布式量子计算也有用处。