我国首次利用四维纠缠态实现量子密集编码

科技日报合肥7月24日电 （记者吴长锋）记者从中国科大获悉，该校郭光灿院士团队的李传锋、柳必恒等人，首次利用四维纠缠态实现量子密集编码，达到2.09的信道容量，创造了当前国际最高水平。该成果充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势。该成果日前发表在国际权威期刊《科学·进展》上。

量子密集编码是最重要的量子保密通信过程之一。例如，初始时A和B两人共享一对纠缠光子，A编码2比特的经典信息在其光子上，并把光子发送到B，然后B对其手里的两个光子进行贝尔基测量，解码得到A发送的2比特信息。在这个过程中A只发送了1个量子比特到B，但是B却接收到了2比特的经典信息。衡量密集编码的重要指标是信道容量，即A向B发送一个光子所能传输的比特数。在比特系统中，量子密集编码的信道容量极限为2。

相比比特系统的二维纠缠，高维纠缠具有信道容量高、抵抗窃听能力强等优势，近年来被学术界广泛关注。量子密集编码的思想自1992年提出，1996年在光学系统中首次实现。由于无法实现完全的贝尔基测量，当时利用一对纠缠光子仅传送1.13个经典比特，直到2017年，基于完全的贝尔基测量，这一纪录才被更新为1.665。

李传锋、柳必恒等人在自主研制的高品质三维纠缠源基础上，进一步制备出偏振—路径复合的四维纠缠源，保真度达到98%。他们利用这种四维纠缠源成功识别了5类贝尔态，并实验演示了量子密集编码，一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限2，充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势，为高维纠缠在量子信息领域的深入研究打下重要基础。