高维纠缠实现高效量子随机通信研究获进展

近日，中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队柳必恒研究组等，提出基于“随机存取码”的随机通信框架，在高维量子光学平台上实现高成功率的随机通信，并给出具有噪声鲁棒的高维纠缠认证方案。

量子通信被认为是未来信息科学的重要支柱，能够突破经典通信的性能极限，实现更高效、更安全的信息传输。但是，在高维量子系统中充分释放量子优势，通常依赖复杂的高维量子门操作和纠缠测量，在光子平台上实现这些操作极具挑战。目前，实验研究聚焦于二维或低维系统，高维纠缠的潜力未得到充分发挥，这影响量子密钥分发、随机数生成等前沿应用的推进，阻碍量子网络和未来量子互联网的发展。因此，在不依赖复杂纠缠测量和多光子辅助的前提下，实现可扩展的高维量子通信，成为亟待解决的核心科学问题。

针对高维纠缠测量难题，研究团队基于随机存取码，构建出一种随机通信协议。在共享n维纠缠的基础上，发送端仅通过高维移位操作与相位门（X、Z）对单光子编码两位信息x1x2；接收端无需执行纠缠测量，而是根据通信需求分别对两粒子实施Z⊗Z或X⊗X的单粒子测量。理论上，这一方案能够以确定性成功率S=1解码x1或x2。进一步，团队对共享纠缠的维度进行认证发现，该方法具备良好的噪声鲁棒性。

在实验实现方面，团队采用路径和偏振自由度混合编码构建八维子空间，提高了高维移位操作和构建高维测量的效率，展示出优越的可扩展性。基于共享的八维纠缠，通过全出口高维测量，实现对发送方编码信息的随机解码。实验测得成功率S=0.9729±0.0001，超过七维纠缠所达到的理论成功率上界0.9677，认证了所共享的纠缠态维度不低于八维。

这一研究规避了高维系统中复杂的纠缠测量操作，凸显了高维量子通信的优势，消除了长期制约高维量子实验发展的技术瓶颈，提供了一条可扩展、高噪声鲁棒的高维纠缠认证方法。同时，实验采用的“路径+偏振”混合自编码方案，具有良好的可扩展性以及与城际光纤的兼容性，为未来高维量子通信的实用化和长距离分发奠定了技术基础。

9月17日，相关研究成果在线发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

论文链接

基于随机存取码的通信框架

基于路径-偏振自由度编码的八维全出口测量量子光学平台

随即通信协议实验结果