據(jù)中國科學技術(shù)大學網(wǎng)站8月18日消息，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學塞林格小組合作，在國際上首次成功實現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年實現(xiàn)二維量子隱形傳態(tài)實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態(tài)擴展到任意維度，為復雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡奠定了堅實的科學基礎(chǔ)。論文以編輯推薦的形式于8月15日發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊《物理評論快報》上。包括美國物理學會的Physics雜志、英國物理學會Physics World網(wǎng)站、《科學美國人》在內(nèi)的國際權(quán)威學術(shù)和科普媒體對該工作進行了專題亮點報道。

《物理評論快報》以編輯推薦的形式發(fā)表高維量子隱形傳態(tài)并在做亮點報道 本文圖片均來自中國科學技術(shù)大學網(wǎng)站

通過對光子、原子等微觀粒子的精確主動操縱，量子信息以一種變革性的方式對信息進行編碼、儲存和傳輸，在信息安全與計算速度等方面可突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子通信是目前唯一被證明無條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。量子計算由于其超快的并行計算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和材料設(shè)計等大規(guī)模計算難題提供解決方案。量子隱形傳態(tài)能夠借助量子糾纏將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠地點，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠距離量子通信和分布式量子計算的核心功能單元。

要真正實現(xiàn)復雜量子物理系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸，并把它應用于可擴展的量子信息技術(shù)，量子隱形傳態(tài)需要走向多體、多終端、多自由度、高維度和遠距離。真實的物理體系往往包括多個粒子，每個粒子包含多種自由度，而每個自由度又可以有多個維度。專注于此重大目標，潘建偉及其同事進行了長期探索和耕耘。1997年，潘建偉和奧地利同事們首次實現(xiàn)了獨立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實驗驗證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學21篇經(jīng)典論文”。2004年，潘建偉團隊演示了終端開放的量子隱形傳態(tài) [Nature 430, 54 (2004)]。2006年，該團隊實現(xiàn)了兩光子復合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài) [Nature Physics 2, 678 (2006)]。2015年，團隊實現(xiàn)了單光子多自由度的隱形傳態(tài) [Nature 518, 516 (2015)]。2017年，基于墨子號量子科學實驗衛(wèi)星，團隊將量子隱形傳態(tài)的距離推進至千公里量級 [Nature 549, 70 (2017)]。

《物理世界》網(wǎng)站報道高維量子隱形傳態(tài)的示意圖

迄今為止，所有的量子隱形傳態(tài)實驗都局限于量子態(tài)的二維子空間。高維量子態(tài)的隱形傳態(tài)作為完整傳輸一個量子系統(tǒng)的最后一個待解決挑戰(zhàn)，由于其可行性理論方案和實驗技術(shù)上的雙重困難，一直懸而未決。對于高維體系，由于其以維度的平方項增多的貝爾態(tài)數(shù)量和隨之增加的復雜糾纏特性，必須發(fā)展出一套全新的可行理論方案。在實驗技術(shù)上，高維貝爾態(tài)測量需要等效地實現(xiàn)獨立光子的高維量子態(tài)之間的控制邏輯門，這也是量子信息技術(shù)的無人區(qū)。

解決這個關(guān)鍵問題需要理論和實驗的同步創(chuàng)新。2014年，潘建偉、陸朝陽等完成多自由度量子隱形傳態(tài)實驗后，隨即投入了對高維度課題的五年的潛心研究。在理論上，該團隊首次提出了光子體系中可擴展至任意維度的貝爾態(tài)測量和量子隱形傳態(tài)方案；在實驗上，該團隊引入一個額外輔助光子，發(fā)展了高穩(wěn)定性多通道路徑干涉技術(shù)，開創(chuàng)了多光子多維度相互作用的實驗先河，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高維度量子隱形傳態(tài)。該實驗中測試了三維量子態(tài)的全部12個無偏基矢，測量了高維量子隱形傳態(tài)保真度為75%，以25個統(tǒng)計標準偏差超出了經(jīng)典界限，嚴格證明了該過程的非經(jīng)典性以及高維特性。

審稿人指出：“高維量子隱形傳態(tài)是量子通信領(lǐng)域的一個長期存在的挑戰(zhàn)”(the demonstration of higher dimensional teleportation has been a long-standing goal in the field of quantum communication)，“解決這個挑戰(zhàn)將開啟量子力學基礎(chǔ)檢驗和量子技術(shù)的激動人心的新應用”(Solving this outstanding experimental challenge would lead to exciting new applications for quantum technologies and fundamental tests of quantum mechanics)，“這是一個非常英雄式的努力”(a pretty heroic effort)，“這明顯是量子通信領(lǐng)域的一個里程碑”(it is certainly true that the work presented here represents a milestone for the field of quantum communication)。美國物理學會Physics雜志對該工作的總結(jié)指出：“這首次實現(xiàn)三維量子態(tài)隱形傳態(tài)實驗為傳輸粒子的完整量子態(tài)鋪平了道路”(The first experiment to teleport qutrits rather than qubits paves the way to teleporting the complete quantum state of particle)。

《科學美國人》雜志報道高維量子隱形傳態(tài)的示意圖。

該研究得到了自然科學基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省等的支持。