【儀表網 研發快訊】近日，中國科大郭光燦院士團隊柳必恒研究組與瑞典隆德大學Armin Tavakoli博士、瑞士日內瓦大學Jef Pauwels博士合作，提出一種基于“隨機存取碼”的隨機通信框架，并在高維量子光學平臺上實現高成功率的隨機通信，同時給出一種具有噪聲魯棒的高維糾纏認證方案。該成果以“Quantum Stochastic Communication via High-Dimensional Entanglement”為題，于9月17日在線發表于《物理評論快報》。
量子通信被廣泛認為是未來信息科學的重要支柱，能夠突破經典通信的性能極限，實現更高效、更安全的信息傳輸。然而，在高維量子系統中充分釋放量子優勢，通常依賴于復雜的高維量子門操作和糾纏測量(高維貝爾測量)，在光子平臺上實現這些操作極具挑戰，已成為制約實驗進展的關鍵瓶頸。目前實驗研究多集中于二維或低維系統，高維糾纏的潛力遠未得到充分發揮。這一局限不僅影響了量子密鑰分發、隨機數生成等前沿應用的推進，也阻礙了量子網絡及未來量子互聯網的發展。因此，如何在不依賴復雜糾纏測量和多光子輔助的前提下，實現可擴展的高維量子通信，成為當前亟待解決的核心科學問題。
圖一：基于隨機存取碼的通信框架
針對高維糾纏測量的難題，研究團隊基于隨機存取碼構建了一種隨機通信協議(圖一)。在共享n維糾纏的基礎上，發送端僅通過高維移位操作與相位門(X、Z)對單光子編碼兩位信息x1x2，接收端則無需執行糾纏測量，而是根據通信需求分別對兩粒子實施Z⊗Z或X⊗X的單粒子測量。該方案理論上能夠以確定性成功率S=1解碼x1或x2。進一步，研究團隊提出基于成功率對共享糾纏的維度(Schmidt數)進行認證，該方法具備良好的噪聲魯棒性。
圖二：基于路徑-偏振自由度編碼的八維全出口測量量子光學平臺
在實驗實現方面，研究團隊采用路徑和偏振自由度混合編碼構建八維子空間(圖二)，顯著提高了高維移位操作和構建高維測量的效率，展示出優越的可擴展性。基于共享的八維糾纏，通過全出口高維測量實現對發送方編碼信息的隨機解碼，實驗測得成功率S=0.9729±0.0001，超過了七維糾纏所能達到的理論成功率上界0.9677，從而認證了所共享的糾纏態維度不低于八維(圖三)。
圖三：隨即通信協議實驗結果
該研究成功規避了高維系統中復雜的糾纏測量操作，凸顯了高維量子通信的顯著優勢。這一突破不僅消除了長期制約高維量子實驗發展的技術瓶頸，還提供了一條可擴展、高噪聲魯棒的高維糾纏認證方法。同時，實驗采用的“路徑+偏振”混合自編碼方案具有良好的可擴展性以及與城際光纖的兼容性，為未來高維量子通信的實用化和長距離分發奠定了技術基礎。
中國科學技術大學張超博士(現為丹麥技術大學博士后)和博士研究生苗家樂為論文共同第一作者。中國科大特任教授胡曉敏、Jef Pauwels博士、Armin Tavakoli博士以及中國科大柳必恒研究員為該論文通訊作者。該研究工作得到了量子科學與技術創新計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、安徽省科技創新攻堅計劃和中國科學技術大學等的支持。
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