“纠缠”重塑量子随机存取码 | 科技前线

近日，中国科学技术大学等在高维量子光学平台上实现了高成功率的随机通信，并发展了具有噪声鲁棒性的高维纠缠认证方案。

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量子寻宝赛

在城市寻宝赛中，出题者要设计线索系统。当选手到达岔路口时，他们临时决定选择路线。根据赛前规则，出题者只给每位选手寄送一张线索卡。为了让这张小卡片同时适配两条路线，出题者将线索设计成红蓝滤片。两种滤片不能同时使用，每次只能选择其一，旨在通过巧妙的设计，无论选手选择红色还是蓝色滤片，让这张小卡片都能以较高概率提供所需的提示。

在信息科学中，这种“先发送短消息，事后按需选择其一，且不能同时获取全部信息”的任务被称为随机存取码。当这张卡片是一个量子态，选手的红蓝滤片对应两种互补的量子测量时，可得到量子随机存取码。对于二维量子系统，解码信息的平均成功率可超越经典的0.5极限。但是，在不兼容测量下分别解码两种信息，这种方法的成功率无法达到完美的1。

在寻宝赛的扩展规则中，还有一种“神奇压缩术”——量子密集编码。其核心在于：赛前主办方给出题者和选手各一张“默契卡片”，即预共享的纠缠态；比赛开始后，出题者在自己的卡片上刻印线索后寄给选手；选手将收到的卡片与自己的卡片组合，通过纠缠测量就能同时读出两条路线的完整线索。如果选手只想选择一条路线，只需要对持有的两张“默契卡片”分别进行特定的局域单粒子测量，即可以概率1获得所有线索，这降低了技术门槛。

▲(a) 量子密集编码和 (b) 基于纠缠的随机通信框架原理示意图

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让理论变成现实

为了将理论付诸实践，科研团队提出基于随机存取码的随机通信框架，在高维量子光学平台上实现了高成功率的随机通信，并发展出具有噪声鲁棒性的高维纠缠认证方案。

在实验设计中，团队采用光学系统，通过自发参量下转换过程生成八维的“默契卡片”。团队利用光子的路径和偏振自由度进行混合编码，形成4×2的八维空间，这降低了操作和测量高维量子态的难度。发送端将两位信息编码到量子态中，并通过八维量子信道发送。进而，接收端随机选择想要读取的线索类型。

▲基于路径-偏振自由度编码的八维全出口测量量子光学平台

整个过程仅涉及局域单粒子测量，无需进行光子-光子干涉这类复杂的高维纠缠测量。实验实现了全出口的本征测量，即接收端在每一轮测量中都进行全出口读出，从而提高解码效率。

实验数据展示了上述方案的优越性：基于共享的八维纠缠，团队测试了所有可能的编码与测量解码组合，并测得整体成功率为0.9729±0.0001。同时，成功率与共享纠缠的施密特数d存在明确的上界关系。实验结果超越七维纠缠所实现的成功率上限，从而可直接认证共享的纠缠态维度不低于八维。

在通信技术层面，这项工作为量子随机存取码的难题提供了更高成功率、更强噪声鲁棒性的解决方案，规避了高维纠缠测量这一技术瓶颈。

在量子认证层面，成功率成为一种维度认证：一旦超越特定阈值，无需了解装置细节即可确认纠缠的最小维度，实现通信与纠缠认证的双重功能。

在技术实现层面，“路径+偏振”的混合编码方案与多芯光纤、集成光子学芯片等技术兼容，为高维纠缠的制备、操控和读出提供了可行的技术路线，有望推动城域乃至城际量子链路的发展。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rq78-1qbh

来源：中国科学技术大学

责任编辑：侯茜