我国学者实现零容量信道的量子信息有效传输

冶天

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋、许金时研究组与其合作者，深入研究噪声信道量子容量的激活问题，实验上首次实现了零容量量子信道中量子信息的双向传输，突破了以前标准的量子信道理论。国际权威学术期刊《科学》子刊《科学·进展》日前发表了该研究成果。
　　据了解，信道容量是指信道在噪声环境下有效传输信息的能力，是通讯领域的基本问题。经典信道的容量问题可由香农第二定理很好地描述，但量子信道的容量问题要复杂得多。量子信道不仅可以传输经典信息，还可以传输私密信息和量子信息，每种情况对应一个信道容量。标准的量子信道理论与经典理论相似，都是假定信道之间是相互独立的，但真实的量子信道并非如此。
　　李传锋、许金时等人选择保偏光纤进行深入研究。保偏光纤具有极强的相位消相干，原本不能用来有效传输量子信息。他们利用量子通讯领域最近发展的理论工具来度量光纤的信道容量，首先实验测定一根１２０米左右长度的保偏光纤的量子容量为零，随后对两根相同的保偏光纤进行编码，构成一个量子信道干涉仪，从而把量子容量为零的保偏光纤激活。激活后两个保偏光纤不再独立，而是相互关联起来构成一个无消相干子空间，从而有效地进行量子信息传输。
　　为了提高光纤噪声的关联度，研究组将两根光纤缠绕在一起，实验测得两根量子容量为零的保偏光纤联合使用时的量子容量大于０．６（理想的量子信道容量为１）。量子信道干涉仪内有两个输入口和两个输出口，通过改变干涉仪内半波片的设置，可以实现量子信息在噪声信道中的单向传输或双向传输。他们还进一步验证了量子纠缠在这种装置下传输的可靠性。
　　学界认为，该成果演示了一种在噪声信道中传输量子信息的有效方法，可用于不同量子系统的通讯和对接，为构建小型量子纠缠网络提供了新思路，并为丰富量子通讯理论框架提供了新的物理平台。