當(dāng)前，以量子信息科學(xué)為代表的量子科技不斷進(jìn)步，形成新的科學(xué)前沿，激發(fā)科技創(chuàng)新，孕育對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響的顛覆性技術(shù)。世界各國都對(duì)其高度關(guān)注，各大科技公司、研究院也紛紛布局。

我國作為科技強(qiáng)國，高度重視量子信息科技的發(fā)展，在量子信息科技領(lǐng)域突破了一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵核心技術(shù)，產(chǎn)出了一批具有重要國際影響力的成果。

來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、柳必恒研究組與南京郵電大學(xué)盛宇波等人合作，利用高品質(zhì)的超糾纏源，首次實(shí)現(xiàn)了 11 公里的遠(yuǎn)距離量子糾纏純化，純化效率比此前國際最好水平提升了 6000 多倍，在量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的研究中取得了重要進(jìn)展。

據(jù)悉，在量子通信傳輸中，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信一直以來都是國際研究的熱點(diǎn)。對(duì)于這一問題，目前主要有兩種解決方案：

其一是在幾乎真空，量子信號(hào)損耗極小的外太空，利用衛(wèi)星擴(kuò)展量子通信距離。例如，我國于 2016 年成功發(fā)射了國際首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 “墨子號(hào)”，成功驗(yàn)證了這一方案的可行性;

其二則是在光纖網(wǎng)絡(luò)中使用量子中繼器，將一段長距離光纖信道分割成多段距離比較短的信道，使得量子信號(hào)不再隨距離的增加而指數(shù)衰減，從而擴(kuò)展量子通信距離。

談及量子中繼，它是在噪聲信道中實(shí)現(xiàn)長距離量子通信的重要途徑，具有重要科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值，國際上關(guān)于量子中繼器研究的競爭非常激烈。傳統(tǒng)量子中繼器需要基于糾纏交換、糾纏純化、量子存儲(chǔ)三個(gè)必不可少的技術(shù)。

其中，量子糾纏純化是量子中繼中的關(guān)鍵操作，利用量子糾纏純化操作可以從兩份糾纏度較低的糾纏態(tài)中提煉出一份糾纏度較高的糾纏態(tài)。此前的糾纏純化協(xié)議都是利用兩對(duì)低糾纏度的光子對(duì)實(shí)現(xiàn)，而研究組與合作者提出僅需一對(duì)超糾纏光子對(duì)的糾纏純化方案。

如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)?

研究團(tuán)隊(duì)通過制備出偏振和路徑分別處于糾纏態(tài)的超糾纏光子對(duì)，并在 11 公里長的多芯光纖里進(jìn)行糾纏分發(fā)，然后進(jìn)行量子糾纏純化操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分發(fā)后的偏振糾纏和路徑糾纏初始保真度均為約 0.665 時(shí)，純化得到的糾纏態(tài)的保真度可以提升到 0.774，而初始保真度均為約 0.771 時(shí)，純化后的保真度則可提升到 0.887。

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)首次將糾纏純化用于量子密鑰分發(fā)，使有效密鑰率從 0 提升至 0.371。

中國科大取得的這一成果可以說是邁出了糾纏純化從實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)到遠(yuǎn)距離的關(guān)鍵一步，同時(shí)大幅提升了糾纏純化效率，為將來實(shí)現(xiàn)高效率的量子中繼提供了有力的技術(shù)保障。

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