給糾纏態“做個CT” 讓未來量子網絡更安全

受訪者供圖

量子通信研究領域，中國在賽道上已經領先一個身位，無論理論研究還是技術應用和項目實施落地，都已走在世界的前列。兩個多月之前，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，實驗獲知了未知量子糾纏態的保真度，首次在國際上實現了量子糾纏態的自檢驗。研究成果發表在國際權威期刊《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》發表論文，他們把量子糾纏態的非局域性和貝爾基測量定量地聯系起來，從而首次在國際上實現了糾纏交換過程中貝爾基測量的自檢驗。

不再依賴于測量設備的可靠性

要實現量子通信、量子計算，首先要實現量子糾纏，但如何檢驗量子間是否已形成了“糾纏態”，成為量子領域科學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。比如用于糾纏態信息測定的量子態層析方法，類似于醫院的CT掃描，通過“一層層掃描”重構出糾纏態的形式，進而獲得糾纏態的保真度等重要信息。但這個方法依賴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。比如量子通信的檢測設備如果被竊聽者所控制，那么就會對量子通信的保密性造成威脅。

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

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

“這是國際上首個具有‘高可靠、抗干擾’特性的糾纏態自檢驗實驗，為把自檢驗推廣應用于各種量子信息過程，及推進量子通信和量子計算研究打下重要基礎。”中科院量子信息重點實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。在構建量子糾纏網絡的過程中，不僅需要制備高品質的量子糾纏態，還需要在節點之間進行高品質的糾纏交換，才能把各個節點糾纏起來。”中科院量子信息重點實驗室黃安琪博士告訴科技日報記者，要想構建量子糾纏網絡的一個關鍵步驟，就要在分開的節點間建立糾纏。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的距離被限制在百公里量級。

“如果想把超過這個距離的兩個節點糾纏起來，就需要量子中繼，這通常是由糾纏交換過程來實現。”黃安琪對記者說，糾纏交換具體是指分開的兩個節點A和B各制備一對糾纏光子，然后分別把其中一個發給中間節點C來進行貝爾態測量，那么A和B所持有的剩下的兩個光子就會糾纏起來。通過將這種方法繼續擴展，理論上即可實現長距離的糾纏分配。

“但是在實際操作過程中，糾纏態和糾纏交換都不可能是完美的，這最終會成為限制糾纏網絡規模和傳輸距離的重要因素，所以有必要對糾纏態和糾纏交換的品質進行檢驗。”黃安琪說。

由于量子網絡進行保密通信時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常規手段直接實現。學術界近年來發現，利用非局域性檢測時與測量設備無關的特性，可以實現對糾纏態和糾纏交換的品質檢驗，這被稱為自檢驗。

“如果沒有自檢驗，就會存在相應的風險，竊聽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絡已經建立起來了，然而真正到應用的時候，才發現根本就沒有糾纏，量子網絡就癱瘓了。”黃安琪說，有了自檢驗過程，即便測量設備不可信，只要我們判斷出糾纏網絡已經建立起來了，那么整個網絡就真的糾纏起來了。

“這個過程有些類似計算機開始工作前，對病毒進行掃描自檢。量子糾纏網絡也要先自檢驗各節點間糾纏是否真的建立起來了，確認后才開始工作。”黃安琪說。

填補糾纏交換自檢驗研究空白

“國際上糾纏態自檢驗的第一個實驗也是由我們組完成的。”韓正甫告訴記者，之前學術界對自檢驗的研究，基本集中在各種形式的糾纏態自檢驗問題上，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現糾纏交換的自檢驗，關鍵在于做到了兩點。”韓正甫說，他們首先把糾纏交換的保真度和所使用糾纏態的非局域性定量地聯系了起來，這樣就有辦法把非局域性檢測中與測量設備無關的性質傳遞給糾纏交換的自檢驗;另外，這次他們進行的自檢驗過程，既包含了糾纏交換前兩對糾纏光子之間獨立性的檢驗，又同時包含了糾纏交換后建立的糾纏保真度的自檢驗，從而使實驗結果具有很好的穩定性，完全可以容忍實驗誤差。

“所以，我們這個工作是國際上第一個成功演示糾纏交換過程自檢驗的實驗。有了糾纏態的自檢驗和糾纏交換過程的自檢驗，整個糾纏網絡的自檢驗才能實現。”韓正甫說。(本報記者 吳長鋒)

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