量子信道容量的不可加性首獲實驗驗證

2020-08-13 光明網

記者從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、唐建順等與合作者合作，首次設計並實驗實現了一種特殊的「退相併擦除」量子信道，並在該量子信道中驗證了量子相干信息的不可加性。研究成果日前發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

信道容量是衡量通信信道在噪聲環境中通信能力的一個關鍵參數。對一個量子信道而言，其信道容量的概念在傳輸不同種類信息的情況下，有多種表現形式，即經典容量、私密容量和量子容量，量子容量表示信道傳輸量子信息的能力，並由相干信息的最大值來定義。經過十餘年的理論研究，人們先後發現量子信道的經典容量和量子容量均具有不可加性。

所謂不可加性就好比一個人的左耳和右耳都聽不到聲音，但把兩隻耳朵一起用時，卻能夠聽得十分清楚。量子信道容量的不可加性雖然在理論上已經有了充分的研究，但是要在實驗上觀測到「不可加」的現象卻十分困難。在常見的量子信道中，不可加性的效應十分微弱，難以實驗觀測。

為了能實際觀測到這一現象，研究人員在實驗上構建了一種同時具有「退相」和「擦除」性質的量子信道，即「退相併擦除」量子信道，首次明顯且直接地觀測到了量子容量中相干信息的不可加性。研究人員搭建了一套具有n次復用能力的量子信道，研究發現，在使用雙重和三重複用的信道時，其相干信息與在使用單重複用信道下測得的結果存在著明顯的差值：在單重複用信道下測得相干信息量為零的情況下，雙重和三重複用信道下的相干信息依舊存在。這就證明了量子相干信息的不可加性。

該成果對證明量子相干信息的不可加性和量子信道容量的測量都具有重要意義。審稿人評價「該實驗研究對信息科學和量子技術領域都會有很大的幫助」。該工作構建了「退相併擦除」信道，為量子資訊理論的深入實驗研究打下基礎。（記者吳長鋒）

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