我校郭光燦院士團隊在量子隱形傳態(tài)研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、劉曌地等人與芬蘭圖爾庫大學的理論研究組合作，利用多體混合糾纏成功克服了環(huán)境噪聲，實現了高保真度的量子隱形傳態(tài)。該成果5月1日發(fā)表在國際知名期刊《科學·進展》上。
量子隱形傳態(tài)是量子通信的重要協(xié)議，可以通過量子糾纏把未知的量子態(tài)進行遠程傳送。由于量子糾纏很脆弱，量子隱形傳態(tài)容易受到噪聲影響。如何在噪聲環(huán)境中實現高保真度的量子隱形傳態(tài)是亟待解決的問題。
此前，為了解決噪聲環(huán)境中的開放量子系統(tǒng)退相干問題，研究團隊基于巧妙的光路設計和可編程空間光調制器，發(fā)展了一套對光子偏振和頻率進行完備調控的方法，從而實現了完全可控的相位退相干量子模擬器[Nature Commun. 9, 3453 (2018)]，并實現了基于非局域記憶效應的克服噪聲的量子隱形傳態(tài)[Phys. Rev. A 102, 062208 (2020)], 然而非局域記憶效應要求環(huán)境糾纏這種比較嚴苛的量子資源，一般情況下無法被滿足。基于以上成果，在本工作中研究團隊設計并實現了更普適的克服環(huán)境噪聲的量子隱形傳態(tài)。
研究團隊首先證明了，通過對單量子系統(tǒng)的環(huán)境進行特定相位調制，可以完全逆轉開放量子系統(tǒng)演化中的相位退相干，并且該方法可以被推廣到任意多體系統(tǒng)中。然后以光子的偏振做為量子系統(tǒng)，光子的頻率做為噪聲環(huán)境進行實驗?；谕耆煽叵辔煌讼喔闪孔幽M器，在環(huán)境中加載特定相位調制，從而制備出雙光子偏振-頻率混合糾纏初態(tài)，然后把兩個光子分發(fā)給用戶Alice和Bob。Alice端進行退相干演化，再與待傳遞的量子態(tài)做貝爾測量，接著在Bob端進行退相干演化，最終通過經典通信對得到的量子比特做相應幺正操作得到被傳遞的量子態(tài)（圖1和圖2），測得的保真度接近90%（圖3）。由于此過程中雙光子的偏振態(tài)從未違背貝爾不等式，本實驗是基于隱藏量子非局域性實現了量子隱形傳態(tài)?？傊?，本成果提供了一種區(qū)別于動力學解耦（Dynamical Decoupling）和無退相干子空間（Decoherence-Free Subspaces）的克服環(huán)境噪聲的新方法，并對深入理解量子非局域性有重要意義。
圖1 克服量子隱形傳態(tài)環(huán)境噪聲的實驗步驟示意圖
圖2 克服量子隱形傳態(tài)環(huán)境噪聲的實驗裝置圖
圖3 量子態(tài)保真度實驗結果圖
該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學基金會、中國博士后科學基金會和中國科學技術大學的資助。
文章鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3435
（中國科學院量子信息重點實驗室、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學院、科研部）
