每經(jīng)編輯 王鑫

據(jù)中國(guó)科技大學(xué)官網(wǎng)8月13日刊文，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子信道容量的研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順等人與牛津大學(xué)Raj Patel資深研究員合作，首次設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)實(shí)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(yàn)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(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

圖片來(lái)源：中國(guó)科大官網(wǎng)截圖

信道容量是通信領(lǐng)域最基本的問(wèn)題，也是衡量通信信道在噪聲環(huán)境中通信能力的一個(gè)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(lái)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(duì)一個(gè)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?cái)?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(lái)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(guò)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(tuán)隊(duì)的博士生李科甘坐冷板凳，潛心研究了五年時(shí)間終于攻下“私密容量不可加性”這個(gè)世界性難題，論文發(fā)表在2009年《物理評(píng)論快報(bào)》上（Phys. Rev. Lett. 103,120501）,學(xué)界稱贊這項(xiàng)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(huì)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(gè)人的左耳和右耳都聽(tīng)不到聲音，但把兩只耳朵一起用時(shí)，卻能夠聽(tīng)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(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到“不可加”的現(xiàn)象卻是十分困難的。因?yàn)樵诔Ｒ?jiàn)的量子信道中，不可加性的效應(yīng)十分微弱，難以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。為了能實(shí)際觀測(cè)到這一現(xiàn)象，李傳鋒研究組在實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建了一種同時(shí)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(cè)到了量子容量中相干信息的不可加性。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中就體現(xiàn)在使用兩條具有單次復(fù)用能力的信道下測(cè)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(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在使用雙重和三重復(fù)用的信道時(shí)，其相干信息與在使用單重復(fù)用信道下測(cè)得的結(jié)果存在著明顯的差值：在單重復(fù)用信道下測(cè)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(duì)證明量子相干信息的不可加性和量子信道容量的測(cè)量都具有重要意義。審稿人評(píng)價(jià)“該實(shí)驗(yàn)研究對(duì)信息科學(xué)和量子技術(shù)領(lǐng)域都會(huì)有很大的幫助”。該工作構(gòu)建了一個(gè)很有用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即“退相并擦除”信道，為量子信息論的深入實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的俞上博士和博士研究生孟雨。本研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)源：攝圖網(wǎng)