給糾纏態(tài)“做個(gè)CT” 讓未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò )更安全

  ICCSZ訊 量子通信研究領(lǐng)域，中國在賽道上已經(jīng)領(lǐng)先一個(gè)身位，無(wú)論理論研究還是技術(shù)應用和項目實(shí)施落地，都已走在世界的前列。兩個(gè)多月之前，中國科大成員李傳鋒、陳耕、張文豪等人在測量設備“不可信”的條件下，實(shí)驗獲知了未知量子糾纏態(tài)的保真度，首次在國際上實(shí)現了量子糾纏態(tài)的自檢驗。研究成果發(fā)表在國際權威期刊《物理評論快報》上。

  近日，郭光燦院士團隊再度于《物理評論快報》發(fā)表論文，他們把量子糾纏態(tài)的非局域性和貝爾基測量定量地聯(lián)系起來(lái)，從而首次在國際上實(shí)現了糾纏交換過(guò)程中貝爾基測量的自檢驗。

  不再依賴(lài)于測量設備的可靠性

  要實(shí)現量子通信、量子計算，首先要實(shí)現量子糾纏，但如何檢驗量子間是否已形成了“糾纏態(tài)”，成為量子領(lǐng)域科學(xué)家們競相攻克的難題。

  量子通訊的特性之一是保密度高，但也不是絕對地無(wú)機可乘，其中仍然存在某些細微的漏洞，科技人員對因此出現的缺陷必須予以彌補。比如用于糾纏態(tài)信息測定的量子態(tài)層析方法，類(lèi)似于醫院的CT掃描，通過(guò)“一層層掃描”重構出糾纏態(tài)的形式，進(jìn)而獲得糾纏態(tài)的保真度等重要信息。但這個(gè)方法依賴(lài)于測量設備的準確性和可靠性，不能用于承擔對安全性有要求的量子信息任務(wù)。比如量子通信的檢測設備如果被竊聽(tīng)者所控制，那么就會(huì )對量子通信的保密性造成威脅。

  為應對這一問(wèn)題彌補缺陷，科學(xué)家曾提出“貝爾不等式違背”等糾纏度量方法，可以不依賴(lài)檢測設備的可信度進(jìn)行量子糾纏自檢驗。只是，國際學(xué)界做了大量理論研究，而相關(guān)實(shí)驗還是空白。

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒等人巧妙設計出一種新方法，實(shí)驗實(shí)現了對2個(gè)比特和3個(gè)比特量子糾纏態(tài)的自檢驗實(shí)驗。他們針對不同形式的量子糾纏態(tài)，在測量設備“不可信”的條件下，獲得了未知量子態(tài)的保真度信息，并與傳統的量子態(tài)層析結果比對，證實(shí)了自檢驗結果的可靠性。

  “這是國際上首個(gè)具有‘高可靠、抗干擾’特性的糾纏態(tài)自檢驗實(shí)驗，為把自檢驗推廣應用于各種量子信息過(guò)程，及推進(jìn)量子通信和量子計算研究打下重要基礎?！敝锌圃?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室韓正甫教授告訴科技日報記者。

  糾纏交換自檢，“擊鼓傳花”不失真

  “量子糾纏是量子通信和量子計算的重要資源。在構建量子糾纏網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程中，不僅需要制備高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)，還需要在節點(diǎn)之間進(jìn)行高品質(zhì)的糾纏交換，才能把各個(gè)節點(diǎn)糾纏起來(lái)?！敝锌圃?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室黃安琪博士告訴科技日報記者，要想構建量子糾纏網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)關(guān)鍵步驟，就要在分開(kāi)的節點(diǎn)間建立糾纏。由于傳輸信道（通常是指光纖）存在著(zhù)損耗，目前地面上量子糾纏分發(fā)的距離被限制在百公里量級。

  “如果想把超過(guò)這個(gè)距離的兩個(gè)節點(diǎn)糾纏起來(lái)，就需要量子中繼，這通常是由糾纏交換過(guò)程來(lái)實(shí)現?！秉S安琪對記者說(shuō)，糾纏交換具體是指分開(kāi)的兩個(gè)節點(diǎn)A和B各制備一對糾纏光子，然后分別把其中一個(gè)發(fā)給中間節點(diǎn)C來(lái)進(jìn)行貝爾態(tài)測量，那么A和B所持有的剩下的兩個(gè)光子就會(huì )糾纏起來(lái)。通過(guò)將這種方法繼續擴展，理論上即可實(shí)現長(cháng)距離的糾纏分配。

  “但是在實(shí)際操作過(guò)程中，糾纏態(tài)和糾纏交換都不可能是完美的，這最終會(huì )成為限制糾纏網(wǎng)絡(luò )規模和傳輸距離的重要因素，所以有必要對糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)進(jìn)行檢驗?！秉S安琪說(shuō)。

  由于量子網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行保密通信時(shí)需要很高的安全等級，甚至需要假設所使用的測量設備不是完全可信的，所以這種檢驗很難通過(guò)常規手段直接實(shí)現。學(xué)術(shù)界近年來(lái)發(fā)現，利用非局域性檢測時(shí)與測量設備無(wú)關(guān)的特性，可以實(shí)現對糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)檢驗，這被稱(chēng)為自檢驗。

  “如果沒(méi)有自檢驗，就會(huì )存在相應的風(fēng)險，竊聽(tīng)者就有可能控制我們的測量設備的輸出，讓我們從數據上看以為量子糾纏網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)建立起來(lái)了，然而真正到應用的時(shí)候，才發(fā)現根本就沒(méi)有糾纏，量子網(wǎng)絡(luò )就癱瘓了?！秉S安琪說(shuō)，有了自檢驗過(guò)程，即便測量設備不可信，只要我們判斷出糾纏網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)建立起來(lái)了，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò )就真的糾纏起來(lái)了。

  “這個(gè)過(guò)程有些類(lèi)似計算機開(kāi)始工作前，對病毒進(jìn)行掃描自檢。量子糾纏網(wǎng)絡(luò )也要先自檢驗各節點(diǎn)間糾纏是否真的建立起來(lái)了，確認后才開(kāi)始工作?！秉S安琪說(shuō)。

  填補糾纏交換自檢驗研究空白

  “國際上糾纏態(tài)自檢驗的第一個(gè)實(shí)驗也是由我們組完成的?！表n正甫告訴記者，之前學(xué)術(shù)界對自檢驗的研究，基本集中在各種形式的糾纏態(tài)自檢驗問(wèn)題上，而對于糾纏交換的自檢驗研究一直是空白。

  “我們之所以能在國際上首次實(shí)現糾纏交換的自檢驗，關(guān)鍵在于做到了兩點(diǎn)?！表n正甫說(shuō)，他們首先把糾纏交換的保真度和所使用糾纏態(tài)的非局域性定量地聯(lián)系了起來(lái)，這樣就有辦法把非局域性檢測中與測量設備無(wú)關(guān)的性質(zhì)傳遞給糾纏交換的自檢驗；另外，這次他們進(jìn)行的自檢驗過(guò)程，既包含了糾纏交換前兩對糾纏光子之間獨立性的檢驗，又同時(shí)包含了糾纏交換后建立的糾纏保真度的自檢驗，從而使實(shí)驗結果具有很好的穩定性，完全可以容忍實(shí)驗誤差。

  “所以，我們這個(gè)工作是國際上第一個(gè)成功演示糾纏交換過(guò)程自檢驗的實(shí)驗。有了糾纏態(tài)的自檢驗和糾纏交換過(guò)程的自檢驗，整個(gè)糾纏網(wǎng)絡(luò )的自檢驗才能實(shí)現?！表n正甫說(shuō)。

  記者 吳長(cháng)鋒