給糾纏態(tài)“做個CT” 讓未來量子網(wǎng)絡(luò)更安全

2019-03-21 17:09:32 來源: 科技日報

受訪者供圖

量子通信研究領(lǐng)域，中國在賽道上已經(jīng)領(lǐng)先一個身位，無論理論研究還是技術(shù)應(yīng)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(shè)備“不可信”的條件下，實驗獲知了未知量子糾纏態(tài)的保真度，首次在國際上實現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的自檢驗。研究成果發(fā)表在國際權(quán)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，從而首次在國際上實現(xiàn)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(shè)備的可靠性

要實現(xiàn)量子通信、量子計算，首先要實現(xiàn)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(xiàn)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，類似于醫(yī)院的CT掃描，通過“一層層掃描”重構(gòu)出糾纏態(tài)的形式，進而獲得糾纏態(tài)的保真度等重要信息。但這個方法依賴于測量設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(guān)實驗還是空白。

中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊李傳鋒等人巧妙設(shè)計出一種新方法，實驗實現(xiàn)了對2個比特和3個比特量子糾纏態(tài)的自檢驗實驗。他們針對不同形式的量子糾纏態(tài)，在測量設(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，證實了自檢驗結(jié)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(tài)自檢驗實驗，為把自檢驗推廣應(yīng)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(chǔ)。”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(gòu)建量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的過程中，不僅需要制備高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)，還需要在節(jié)點之間進行高品質(zhì)的糾纏交換，才能把各個節(jié)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(gòu)建量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵步驟，就要在分開的節(jié)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(fā)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(jié)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(xiàn)。”黃安琪對記者說，糾纏交換具體是指分開的兩個節(jié)點A和B各制備一對糾纏光子，然后分別把其中一個發(fā)給中間節(jié)點C來進行貝爾態(tài)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(xù)擴展，理論上即可實現(xiàn)長距離的糾纏分配。

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

由于量子網(wǎng)絡(luò)進行保密通信時需要很高的安全等級，甚至需要假設(shè)所使用的測量設(shè)備不是完全可信的，所以這種檢驗很難通過常規(guī)手段直接實現(xiàn)。學術(shù)界近年來發(fā)現(xiàn)，利用非局域性檢測時與測量設(shè)備無關(guān)的特性，可以實現(xiàn)對糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)檢驗，這被稱為自檢驗。

“如果沒有自檢驗，就會存在相應(yīng)的風險，竊聽者就有可能控制我們的測量設(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)建立起來了，然而真正到應(yīng)用的時候，才發(fā)現(xiàn)根本就沒有糾纏，量子網(wǎng)絡(luò)就癱瘓了。”黃安琪說，有了自檢驗過程，即便測量設(shè)備不可信，只要我們判斷出糾纏網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立起來了，那么整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)也要先自檢驗各節(jié)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(tài)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(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(xiàn)糾纏交換的自檢驗，關(guān)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(tài)的非局域性定量地聯(lián)系了起來，這樣就有辦法把非局域性檢測中與測量設(shè)備無關(guān)的性質(zhì)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(jié)果具有很好的穩(wěn)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(tài)的自檢驗和糾纏交換過程的自檢驗，整個糾纏網(wǎng)絡(luò)的自檢驗才能實現(xiàn)。”韓正甫說。(本報記者吳長鋒)

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