據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站8月18日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等和奧地利維也納大學(xué)塞林格小組合作，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年實(shí)現(xiàn)二維量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)以來(lái)，科學(xué)家第一次在理論和實(shí)驗(yàn)上把量子隱形傳態(tài)擴(kuò)展到任意維度，為復(fù)雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。論文以編輯推薦的形式于8月15日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。包括美國(guó)物理學(xué)會(huì)的Physics雜志、英國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics World網(wǎng)站、《科學(xué)美國(guó)人》在內(nèi)的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)和科普媒體對(duì)該工作進(jìn)行了專題亮點(diǎn)報(bào)道。

《物理評(píng)論快報(bào)》以編輯推薦的形式發(fā)表高維量子隱形傳態(tài)并在做亮點(diǎn)報(bào)道 本文圖片均來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站

通過(guò)對(duì)光子、原子等微觀粒子的精確主動(dòng)操縱，量子信息以一種變革性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、儲(chǔ)存和傳輸，在信息安全與計(jì)算速度等方面可突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子通信是目前唯一被證明無(wú)條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問(wèn)題。量子計(jì)算由于其超快的并行計(jì)算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和材料設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。量子隱形傳態(tài)能夠借助量子糾纏將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子計(jì)算的核心功能單元。

要真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子物理系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸，并把它應(yīng)用于可擴(kuò)展的量子信息技術(shù)，量子隱形傳態(tài)需要走向多體、多終端、多自由度、高維度和遠(yuǎn)距離。真實(shí)的物理體系往往包括多個(gè)粒子，每個(gè)粒子包含多種自由度，而每個(gè)自由度又可以有多個(gè)維度。專注于此重大目標(biāo)，潘建偉及其同事進(jìn)行了長(zhǎng)期探索和耕耘。1997年，潘建偉和奧地利同事們首次實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。2004年，潘建偉團(tuán)隊(duì)演示了終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài) [Nature 430, 54 (2004)]。2006年，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了兩光子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài) [Nature Physics 2, 678 (2006)]。2015年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度的隱形傳態(tài) [Nature 518, 516 (2015)]。2017年，基于墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，團(tuán)隊(duì)將量子隱形傳態(tài)的距離推進(jìn)至千公里量級(jí) [Nature 549, 70 (2017)]。

《物理世界》網(wǎng)站報(bào)道高維量子隱形傳態(tài)的示意圖

迄今為止，所有的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)都局限于量子態(tài)的二維子空間。高維量子態(tài)的隱形傳態(tài)作為完整傳輸一個(gè)量子系統(tǒng)的最后一個(gè)待解決挑戰(zhàn)，由于其可行性理論方案和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的雙重困難，一直懸而未決。對(duì)于高維體系，由于其以維度的平方項(xiàng)增多的貝爾態(tài)數(shù)量和隨之增加的復(fù)雜糾纏特性，必須發(fā)展出一套全新的可行理論方案。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，高維貝爾態(tài)測(cè)量需要等效地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光子的高維量子態(tài)之間的控制邏輯門(mén)，這也是量子信息技術(shù)的無(wú)人區(qū)。

解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要理論和實(shí)驗(yàn)的同步創(chuàng)新。2014年，潘建偉、陸朝陽(yáng)等完成多自由度量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)后，隨即投入了對(duì)高維度課題的五年的潛心研究。在理論上，該團(tuán)隊(duì)首次提出了光子體系中可擴(kuò)展至任意維度的貝爾態(tài)測(cè)量和量子隱形傳態(tài)方案；在實(shí)驗(yàn)上，該團(tuán)隊(duì)引入一個(gè)額外輔助光子，發(fā)展了高穩(wěn)定性多通道路徑干涉技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了多光子多維度相互作用的實(shí)驗(yàn)先河，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高維度量子隱形傳態(tài)。該實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了三維量子態(tài)的全部12個(gè)無(wú)偏基矢，測(cè)量了高維量子隱形傳態(tài)保真度為75%，以25個(gè)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差超出了經(jīng)典界限，嚴(yán)格證明了該過(guò)程的非經(jīng)典性以及高維特性。

審稿人指出：“高維量子隱形傳態(tài)是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)”(the demonstration of higher dimensional teleportation has been a long-standing goal in the field of quantum communication)，“解決這個(gè)挑戰(zhàn)將開(kāi)啟量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子技術(shù)的激動(dòng)人心的新應(yīng)用”(Solving this outstanding experimental challenge would lead to exciting new applications for quantum technologies and fundamental tests of quantum mechanics)，“這是一個(gè)非常英雄式的努力”(a pretty heroic effort)，“這明顯是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”(it is certainly true that the work presented here represents a milestone for the field of quantum communication)。美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics雜志對(duì)該工作的總結(jié)指出：“這首次實(shí)現(xiàn)三維量子態(tài)隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)為傳輸粒子的完整量子態(tài)鋪平了道路”(The first experiment to teleport qutrits rather than qubits paves the way to teleporting the complete quantum state of particle)。

《科學(xué)美國(guó)人》雜志報(bào)道高維量子隱形傳態(tài)的示意圖。

該研究得到了自然科學(xué)基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省等的支持。