中國科大首次實驗驗證量子信道容量的不可加性

每經(jīng)編輯 王鑫

據(jù)中國科技大學官網(wǎng)8月13日刊文，中國科大郭光燦院士團隊在量子信道容量的研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、唐建順等人與牛津大學Raj Patel資深研究員合作，首次設(shè)計并實驗實現(xiàn)了一種特殊的“退相并擦除”（dephrasure）量子信道，并在該量子信道中驗證了量子相干信息的不可加性。該研究成果2020年8月6日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

圖片來源：中國科大官網(wǎng)截圖

信道容量是通信領(lǐng)域最基本的問題，也是衡量通信信道在噪聲環(huán)境中通信能力的一個關(guān)鍵參數(shù)。量子信道是指基于量子糾纏的信息通道，它不僅可用來傳輸通常意義下的經(jīng)典信息，還能傳輸保密的經(jīng)典信息和神秘的量子信息。所以對一個量子信道而言，其信道容量的概念在傳輸不同種類信息的情況下，就有多種表現(xiàn)形式：1）經(jīng)典容量，它表示信道傳送經(jīng)典信息的能力；2）私密容量，它描述了在第三方截獲信息少到可忽略的情況下，信道可以傳輸?shù)淖畲蠼?jīng)典比特數(shù)；3）量子容量，它表示信道傳輸量子信息的能力，并由相干信息的最大值來定義。量子信息誕生后，人們猜想量子信道與經(jīng)典信道一樣，其信道容量都具有不可加性，經(jīng)過十余年的理論研究，人們先后發(fā)現(xiàn)量子信道的經(jīng)典容量和量子容量均具有不可加性。郭光燦團隊的博士生李科甘坐冷板凳，潛心研究了五年時間終于攻下“私密容量不可加性”這個世界性難題，論文發(fā)表在2009年《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 103,120501）,學界稱贊這項成果“使得不可加性的三部曲得以完成”。這種奇異的“不可加”現(xiàn)象在香農(nóng)的經(jīng)典容量理論中是不會出現(xiàn)的。

量子信道容量不可加性示意圖

所謂不可加性就好比一個人的左耳和右耳都聽不到聲音，但把兩只耳朵一起用時，卻能夠聽得十分清楚。量子信道容量的不可加性雖然在理論上已經(jīng)有了充分的研究，但是要在實驗上觀測到“不可加”的現(xiàn)象卻是十分困難的。因為在常見的量子信道中，不可加性的效應(yīng)十分微弱，難以實驗觀測。為了能實際觀測到這一現(xiàn)象，李傳鋒研究組在實驗上構(gòu)建了一種同時具有“退相”和“擦除”性質(zhì)的量子信道，即“退相并擦除”（dephrasure）量子信道，首次明顯且直接地觀測到了量子容量中相干信息的不可加性。在實驗中，研究人員搭建了一套具有n次復(fù)用能力的量子信道(n-fold quantum channel)。相干信息的不可加性在實驗中就體現(xiàn)在使用兩條具有單次復(fù)用能力的信道下測得的相干信息，并不等于使用一條具有雙重復(fù)用信道的相干信息。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在使用雙重和三重復(fù)用的信道時，其相干信息與在使用單重復(fù)用信道下測得的結(jié)果存在著明顯的差值：在單重復(fù)用信道下測得相干信息量為零的情況下，雙重和三重復(fù)用信道下的相干信息依舊存在。這就證明了量子相干信息的不可加性。

本成果對證明量子相干信息的不可加性和量子信道容量的測量都具有重要意義。審稿人評價“該實驗研究對信息科學和量子技術(shù)領(lǐng)域都會有很大的幫助”。該工作構(gòu)建了一個很有用的實驗平臺，即“退相并擦除”信道，為量子信息論的深入實驗研究打下基礎(chǔ)。

該文章的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室的俞上博士和博士研究生孟雨。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

文章鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.060502

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

封面圖片來源：攝圖網(wǎng)