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【MBAChina網(wǎng)訊】我校郭光燦院士團隊在量子通信研究中取得新進展，該團隊李傳鋒、柳必恒等人首次利用四維糾纏態(tài)實現(xiàn)量子密集編碼，達到2.09的信道容量，創(chuàng)造了當前國際最高水平。該成果充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢。該成果7月20日發(fā)表在國際權威期刊《科學·進展》上。

量子密集編碼是最重要的量子保密通信過程之一。以比特系統(tǒng)為例，初始時A和B兩人共享一對糾纏光子，A編碼2比特的經(jīng)典信息在其光子上，并把光子發(fā)送到B，然后B對其手里的兩個光子進行貝爾基測量，解碼得到A發(fā)送的2比特信息。在這個過程中A只發(fā)送了1個量子比特到B，但是B卻接收到了2比特的經(jīng)典信息。衡量密集編碼的重要指標是信道容量，即A向B發(fā)送一個光子所能傳輸?shù)谋忍財?shù)。在比特系統(tǒng)中，量子密集編碼的信道容量極限為2。量子密集編碼的思想自1992年提出，1996年在光學系統(tǒng)中首次實現(xiàn)[PRL 76, 4656 (1996)]。由于無法實現(xiàn)完全的貝爾基測量，當時利用一對糾纏光子僅傳送1.13個經(jīng)典比特，即信道容量為1.13。10余年后的2008年，利用超糾纏，量子密集編碼的信道容量被提升到1.63 [Nat. Phys. 4, 282 (2008)]。又過了近10年后的2017年，基于完全的貝爾基測量，這一紀錄才被更新為1.665 [PRL 118, 050501 (2017)]。

相比比特系統(tǒng)的二維糾纏，高維糾纏具有信道容量高、抵抗竊聽能力強等優(yōu)勢，近年來被學術界廣泛關注。李傳鋒、柳必恒等人在自主研制的高品質三維糾纏源[PRL 117, 170403 (2016)]基礎上，進一步制備出偏振-路徑復合的四維糾纏源，保真度達到98%。他們利用這種四維糾纏源成功識別了五類貝爾態(tài)，并實驗演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的信道容量紀錄提升到了2.09，超過了兩維糾纏能達到的理論極限2，充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢，為高維糾纏在量子信息領域的深入研究打下重要基礎。

審稿人對該工作給予了高度評價：“這絕對是在嘗試實現(xiàn)密集編碼的相當長的一系列量子光學實驗中最好的，我強烈推薦發(fā)表！”(This is definitely the best in a rather long line of quantum optics experiments trying to realize superdense coding, and I strongly support its publication.）

“據(jù)我所知，作者首次在d> 2維系統(tǒng)中展示了他們可以在實驗中超越經(jīng)典極限。他們使用d = 4來傳輸超過2比特/次。 這是一項了不起的技術成就，我向作者表示祝賀?！?Here, to the best of my knowledge, the authors show for the first time in a d>2-dimensional system that they can beat the classical limit in an experiment: They use d=4 to transmit more than 2bit per shot. This is a remarkable technical achievement, and I congratulate the authors to this result.)

論文的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士生胡曉敏和郭鈺。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部的支持。

圖一，高維密集編碼實驗裝置圖

圖二，利用高維密集編碼傳輸五色的中國科學技術大學英文簡寫(USTC)的實驗結果。