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

受訪者供圖

量子通信研究領(lǐng)域，中國(guó)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(yīng)用和項(xiàng)目實(shí)施落地，都已走在世界的前列。兩個(gè)多月之前，中國(guó)科大成員李傳鋒、陳耕、張文豪等人在測(cè)量設(shè)備“不可信”的條件下，實(shí)驗(yàn)獲知了未知量子糾纏態(tài)的保真度，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)。研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

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

不再依賴(lài)于測(cè)量設(shè)備的可靠性

要實(shí)現(xiàn)量子通信、量子計(jì)算，首先要實(shí)現(xiàn)量子糾纏，但如何檢驗(yàn)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(jìng)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(duì)地?zé)o機(jī)可乘，其中仍然存在某些細(xì)微的漏洞，科技人員對(duì)因此出現(xiàn)的缺陷必須予以彌補(bǔ)。比如用于糾纏態(tài)信息測(cè)定的量子態(tài)層析方法，類(lèi)似于醫(yī)院的CT掃描，通過(guò)“一層層掃描”重構(gòu)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(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性，不能用于承擔(dān)對(duì)安全性有要求的量子信息任務(wù)。比如量子通信的檢測(cè)設(shè)備如果被竊聽(tīng)者所控制，那么就會(huì)對(duì)量子通信的保密性造成威脅。

為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題彌補(bǔ)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(cè)設(shè)備的可信度進(jìn)行量子糾纏自檢驗(yàn)。只是，國(guó)際學(xué)界做了大量理論研究，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)還是空白。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒等人巧妙設(shè)計(jì)出一種新方法，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)2個(gè)比特和3個(gè)比特量子糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。他們針對(duì)不同形式的量子糾纏態(tài)，在測(cè)量設(shè)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(tǒng)的量子態(tài)層析結(jié)果比對(duì)，證實(shí)了自檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

“這是國(guó)際上首個(gè)具有‘高可靠、抗干擾’特性的糾纏態(tài)自檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，為把自檢驗(yàn)推廣應(yīng)用于各種量子信息過(guò)程，及推進(jìn)量子通信和量子計(jì)算研究打下重要基礎(chǔ)。”中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓正甫教授告訴科技日?qǐng)?bào)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(jì)算的重要資源。在構(gòu)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(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行高品質(zhì)的糾纏交換，才能把各個(gè)節(jié)點(diǎn)糾纏起來(lái)。”中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃安琪博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，要想構(gòu)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(jié)點(diǎn)間建立糾纏。由于傳輸信道(通常是指光纖)存在著損耗，目前地面上量子糾纏分發(fā)的距離被限制在百公里量級(jí)。

“如果想把超過(guò)這個(gè)距離的兩個(gè)節(jié)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(xiàn)。”黃安琪對(duì)記者說(shuō)，糾纏交換具體是指分開(kāi)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和B各制備一對(duì)糾纏光子，然后分別把其中一個(gè)發(fā)給中間節(jié)點(diǎn)C來(lái)進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)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(xù)擴(kuò)展，理論上即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(guī)模和傳輸距離的重要因素，所以有必要對(duì)糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。”黃安琪說(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(jí)，甚至需要假設(shè)所使用的測(cè)量設(shè)備不是完全可信的，所以這種檢驗(yàn)很難通過(guò)常規(guī)手段直接實(shí)現(xiàn)。學(xué)術(shù)界近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，利用非局域性檢測(cè)時(shí)與測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)檢驗(yàn)，這被稱(chēng)為自檢驗(yàn)。

“如果沒(méi)有自檢驗(yàn)，就會(huì)存在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，竊聽(tīng)者就有可能控制我們的測(cè)量設(shè)備的輸出，讓我們從數(shù)據(jù)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(yīng)用的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)根本就沒(méi)有糾纏，量子網(wǎng)絡(luò)就癱瘓了。”黃安琪說(shuō)，有了自檢驗(yàn)過(guò)程，即便測(cè)量設(shè)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(jì)算機(jī)開(kāi)始工作前，對(duì)病毒進(jìn)行掃描自檢。量子糾纏網(wǎng)絡(luò)也要先自檢驗(yàn)各節(jié)點(diǎn)間糾纏是否真的建立起來(lái)了，確認(rèn)后才開(kāi)始工作。”黃安琪說(shuō)。

填補(bǔ)糾纏交換自檢驗(yàn)研究空白

“國(guó)際上糾纏態(tài)自檢驗(yàn)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)也是由我們組完成的。”韓正甫告訴記者，之前學(xué)術(shù)界對(duì)自檢驗(yàn)的研究，基本集中在各種形式的糾纏態(tài)自檢驗(yàn)問(wèn)題上，而對(duì)于糾纏交換的自檢驗(yàn)研究一直是空白。

“我們之所以能在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)糾纏交換的自檢驗(yàn)，關(guān)鍵在于做到了兩點(diǎn)。”韓正甫說(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(cè)中與測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的性質(zhì)傳遞給糾纏交換的自檢驗(yàn);另外，這次他們進(jìn)行的自檢驗(yàn)過(guò)程，既包含了糾纏交換前兩對(duì)糾纏光子之間獨(dú)立性的檢驗(yàn)，又同時(shí)包含了糾纏交換后建立的糾纏保真度的自檢驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性，完全可以容忍實(shí)驗(yàn)誤差。

“所以，我們這個(gè)工作是國(guó)際上第一個(gè)成功演示糾纏交換過(guò)程自檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)。有了糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)和糾纏交換過(guò)程的自檢驗(yàn)，整個(gè)糾纏網(wǎng)絡(luò)的自檢驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。”韓正甫說(shuō)。(本報(bào)記者 吳長(zhǎng)鋒)

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