给纠缠态“做个CT” 让未来量子网络更安全

2019-03-21 08:41 科技日报

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受访者供图

量子通信研究领域,中国在赛道上已经领先一个身位,无论理论研究还是技术应用和项目实施落地,都已走在世界的前列。两个多月之前,中国科大成员李传锋、陈耕、张文豪等人在测量设备“不可信”的条件下,实验获知了未知量子纠缠态的保真度,首次在国际上实现了量子纠缠态的自检验。研究成果发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。

近日,郭光灿院士团队再度于《物理评论快报》发表论文,他们把量子纠缠态的非局域性和贝尔基测量定量地联系起来,从而首次在国际上实现了纠缠交换过程中贝尔基测量的自检验。

不再依赖于测量设备的可靠性

要实现量子通信、量子计算,首先要实现量子纠缠,但如何检验量子间是否已形成了“纠缠态”,成为量子领域科学家们竞相攻克的难题。

量子通讯的特性之一是保密度高,但也不是绝对地无机可乘,其中仍然存在某些细微的漏洞,科技人员对因此出现的缺陷必须予以弥补。比如用于纠缠态信息测定的量子态层析方法,类似于医院的CT扫描,通过“一层层扫描”重构出纠缠态的形式,进而获得纠缠态的保真度等重要信息。但这个方法依赖于测量设备的准确性和可靠性,不能用于承担对安全性有要求的量子信息任务。比如量子通信的检测设备如果被窃听者所控制,那么就会对量子通信的保密性造成威胁。

为应对这一问题弥补缺陷,科学家曾提出“贝尔不等式违背”等纠缠度量方法,可以不依赖检测设备的可信度进行量子纠缠自检验。只是,国际学界做了大量理论研究,而相关实验还是空白。

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋等人巧妙设计出一种新方法,实验实现了对2个比特和3个比特量子纠缠态的自检验实验。他们针对不同形式的量子纠缠态,在测量设备“不可信”的条件下,获得了未知量子态的保真度信息,并与传统的量子态层析结果比对,证实了自检验结果的可靠性。

“这是国际上首个具有‘高可靠、抗干扰’特性的纠缠态自检验实验,为把自检验推广应用于各种量子信息过程,及推进量子通信和量子计算研究打下重要基础。”中科院量子信息重点实验室韩正甫教授告诉科技日报记者。

纠缠交换自检,“击鼓传花”不失真

“量子纠缠是量子通信和量子计算的重要资源。在构建量子纠缠网络的过程中,不仅需要制备高品质的量子纠缠态,还需要在节点之间进行高品质的纠缠交换,才能把各个节点纠缠起来。”中科院量子信息重点实验室黄安琪博士告诉科技日报记者,要想构建量子纠缠网络的一个关键步骤,就要在分开的节点间建立纠缠。由于传输信道(通常是指光纤)存在着损耗,目前地面上量子纠缠分发的距离被限制在百公里量级。

“如果想把超过这个距离的两个节点纠缠起来,就需要量子中继,这通常是由纠缠交换过程来实现。”黄安琪对记者说,纠缠交换具体是指分开的两个节点A和B各制备一对纠缠光子,然后分别把其中一个发给中间节点C来进行贝尔态测量,那么A和B所持有的剩下的两个光子就会纠缠起来。通过将这种方法继续扩展,理论上即可实现长距离的纠缠分配。

“但是在实际操作过程中,纠缠态和纠缠交换都不可能是完美的,这最终会成为限制纠缠网络规模和传输距离的重要因素,所以有必要对纠缠态和纠缠交换的品质进行检验。”黄安琪说。

由于量子网络进行保密通信时需要很高的安全等级,甚至需要假设所使用的测量设备不是完全可信的,所以这种检验很难通过常规手段直接实现。学术界近年来发现,利用非局域性检测时与测量设备无关的特性,可以实现对纠缠态和纠缠交换的品质检验,这被称为自检验。

“如果没有自检验,就会存在相应的风险,窃听者就有可能控制我们的测量设备的输出,让我们从数据上看以为量子纠缠网络已经建立起来了,然而真正到应用的时候,才发现根本就没有纠缠,量子网络就瘫痪了。”黄安琪说,有了自检验过程,即便测量设备不可信,只要我们判断出纠缠网络已经建立起来了,那么整个网络就真的纠缠起来了。

“这个过程有些类似计算机开始工作前,对病毒进行扫描自检。量子纠缠网络也要先自检验各节点间纠缠是否真的建立起来了,确认后才开始工作。”黄安琪说。

填补纠缠交换自检验研究空白

“国际上纠缠态自检验的第一个实验也是由我们组完成的。”韩正甫告诉记者,之前学术界对自检验的研究,基本集中在各种形式的纠缠态自检验问题上,而对于纠缠交换的自检验研究一直是空白。

“我们之所以能在国际上首次实现纠缠交换的自检验,关键在于做到了两点。”韩正甫说,他们首先把纠缠交换的保真度和所使用纠缠态的非局域性定量地联系了起来,这样就有办法把非局域性检测中与测量设备无关的性质传递给纠缠交换的自检验;另外,这次他们进行的自检验过程,既包含了纠缠交换前两对纠缠光子之间独立性的检验,又同时包含了纠缠交换后建立的纠缠保真度的自检验,从而使实验结果具有很好的稳定性,完全可以容忍实验误差。

“所以,我们这个工作是国际上第一个成功演示纠缠交换过程自检验的实验。有了纠缠态的自检验和纠缠交换过程的自检验,整个纠缠网络的自检验才能实现。”韩正甫说。

 

责任编辑:陶国琪(QT0003)