我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子隱形傳態(tài)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、劉曌地等人與芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的理論研究組合作，利用多體混合糾纏成功克服了環(huán)境噪聲，實(shí)現(xiàn)了高保真度的量子隱形傳態(tài)。該成果5月1日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

量子隱形傳態(tài)是量子通信的重要協(xié)議，可以通過(guò)量子糾纏把未知的量子態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送。由于量子糾纏很脆弱，量子隱形傳態(tài)容易受到噪聲影響。如何在噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真度的量子隱形傳態(tài)是亟待解決的問(wèn)題。

此前，為了解決噪聲環(huán)境中的開(kāi)放量子系統(tǒng)退相干問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于巧妙的光路設(shè)計(jì)和可編程空間光調(diào)制器，發(fā)展了一套對(duì)光子偏振和頻率進(jìn)行完備調(diào)控的方法，從而實(shí)現(xiàn)了完全可控的相位退相干量子模擬器[Nature Commun. 9, 3453 (2018)]，并實(shí)現(xiàn)了基于非局域記憶效應(yīng)的克服噪聲的量子隱形傳態(tài)[Phys. Rev. A 102, 062208 (2020)], 然而非局域記憶效應(yīng)要求環(huán)境糾纏這種比較嚴(yán)苛的量子資源，一般情況下無(wú)法被滿足。基于以上成果，在本工作中研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了更普適的克服環(huán)境噪聲的量子隱形傳態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)首先證明了，通過(guò)對(duì)單量子系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行特定相位調(diào)制，可以完全逆轉(zhuǎn)開(kāi)放量子系統(tǒng)演化中的相位退相干，并且該方法可以被推廣到任意多體系統(tǒng)中。然后以光子的偏振做為量子系統(tǒng)，光子的頻率做為噪聲環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。基于完全可控相位退相干量子模擬器，在環(huán)境中加載特定相位調(diào)制，從而制備出雙光子偏振-頻率混合糾纏初態(tài)，然后把兩個(gè)光子分發(fā)給用戶Alice和Bob。Alice端進(jìn)行退相干演化，再與待傳遞的量子態(tài)做貝爾測(cè)量，接著在Bob端進(jìn)行退相干演化，最終通過(guò)經(jīng)典通信對(duì)得到的量子比特做相應(yīng)幺正操作得到被傳遞的量子態(tài)（圖1和圖2），測(cè)得的保真度接近90%（圖3）。由于此過(guò)程中雙光子的偏振態(tài)從未違背貝爾不等式，本實(shí)驗(yàn)是基于隱藏量子非局域性實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。總之，本成果提供了一種區(qū)別于動(dòng)力學(xué)解耦（Dynamical Decoupling）和無(wú)退相干子空間（Decoherence-Free Subspaces）的克服環(huán)境噪聲的新方法，并對(duì)深入理解量子非局域性有重要意義。

圖1 克服量子隱形傳態(tài)環(huán)境噪聲的實(shí)驗(yàn)步驟示意圖

圖2 克服量子隱形傳態(tài)環(huán)境噪聲的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 量子態(tài)保真度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3435

（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）