漫谈量子信息学 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：科技大观

漫谈量子信息学
张永德
　　在量子远程通信方面，因为光子具有速度快和环境耦合小，并且光纤传输技术比较成熟等优势，所以实现量子密钥分配和量子通信一般使用的载体是光子。使用光子做密钥分配一般有两种方法，第一种是利用单光子极化编码，把随机信息赋予单光子的极化，根据量子不可克隆定理，使用经典通信的方法可以保证绝对的防止窃听。但在实际应用中，因为噪声的存在和环境对光子的吸收，导致光子数呈指数衰减，所以远程通信势必要求高亮度的单光子源，在现有的技术条件下是不现实的。另外一种是利用纠缠源来做密钥分配，根据量子纠缠的特性，窃听者利用局域操作无法得到任何信息，并且，产生密钥的双方可以通过测量贝尔（Bell）不等式的方法来判断是否存在窃听。在理论上，这种方法也是绝对安全的。而且这种利用纠缠对的量子密钥分配方法在远程通信过程中可以设立很多中继站，利用纠缠交换的方法，可以让光子衰减变成线性衰减，这样就可以克服单光子密钥分配的缺点，纠缠交换操作已由潘建伟及其合作者于1998年在实验上实现。但是这种利用纠缠的方法也有很重要的缺陷，就是纠缠对在传播的过程中与环境相互作用，会有量子消相干效应，导致纠缠度和纯度的下降，使远程通信不能实用。解决消相干效应最有效的方式是量子纠缠纯化，即从几对纠缠度和纯度都很低的量子纠缠对中提取一对纠缠度和纯度都符合量子密钥分配要求的纠缠对。把纠缠纯化和纠缠交换结合起来，我们就得到了量子中继站。有了中继站，基于纠缠对的量子远程通信才能最终实现。
　　由此可见，量子纠缠是量子信息处理的一种基本的“资源”，通过消耗这种资源，人们可以完成经典信息处理无法完成的任务（如绝对保密的通信）。量子信息处理的基本任务之一就是获得高品质的量子纠缠资源，其办法就是量子纠缠纯化。
　　量子纠缠纯化的思想和第一个实验方案是美国科学家贝内特及其合作者于1996年提出的。在这之后，出现了一系列关于纠缠纯化的方案，但是基本上所有的方案中都需要可控非门（Controlled－NOT）操作或者其他类似性质的量子逻辑操作。而现有的实验技术实现的可控非门操作都无法满足量子通信和量子计算的要求。近来，在由美国、日本以及我国科学家完成的一些实验中，人们使用纠缠浓缩和定域过滤的手段克服了一些特殊的消相干过程，纠缠浓缩由潘建伟及其中国科大的同事与日本科学家几乎同时独立实现。但是，贝内特等人1996年提出的能对任意一般未知混态进行纯化的方案却一直无法实现，因此量子纠缠纯化中最基本的问题仍然没有得到解决。
　　2001年，潘建伟与其在奥地利维也纳大学的合作者发现了使用线性光学器件和参量下转换产生的纠缠对可以实现贝内特等人1996年的原始思想，即对任意一般的未知混态进行纯化。并且因为线性光学器件本身具有出错率小和条件成熟的特色，这种纯化方案是可行和高效的，一经提出，就受到了量子信息界的重视，该理论文章于2001年4月发表在英国的《自然》杂志上。经过两年的艰苦努力，潘建伟及其同事终于在最近首次实现了对于一般未知量子混态的纠缠纯化。该实验工作得到了科学界的广泛重视，今年5月22日，《自然》杂志以封面文章的形式报道了这项研究成果。
　　除了任意一般态的纠缠纯化外，本实验还有其他一些意义。首先，在纠缠纯化过程中，相当于实现了一个成功概率为25％的可控非门，这就为线性光学量子计算提供了一种逻辑门的实现方式。其次，在实验中发展的路径极化纠缠技术也可以用在实现两体高维纠缠态、量子非定域性检验等方面。最后，特别值得一提的是，潘建伟与其在中国科技大学的同事们利用相同的技术已经于最近成功地在实验上实现了量子中继器。有理由相信，量子中继器的实现将为远距离量子通信的最终实现打下坚实的基础。
　　目前，美国、欧洲、日本等发达国家在量子信息研究方面处于领先地位。值得自豪的是，近年来，我国科学家不断地在量子信息领域取得重要进展，使我国这一重要新兴科学领域在世界上占有了一席之地。
（下）
（作者为中国科技大学近代物理系教授）