中國科大實現超越標準量子香農理論的量子通信

我校郭光燦院士團隊在量子通信實驗研究中取得重要進展，該實驗室李傳鋒、柳必恆等人與香港大學理論物理學家合作，首次實現量子信道因果序的相干疊加，證實這種非定序因果結構相比標準的量子香農理論在傳輸經典信息和量子信息上都具有優勢，該成果1月24日發表在國際物理學著名學術期刊《物理評論快報》上。

香農理論是經典資訊理論的基礎，其中信息載體是經典系統。如果把信息載體推廣到量子系統則得到標準的量子香農理論，它是量子通信與量子信息的基礎，已經在量子信息壓縮、噪聲信道中的信息傳輸、糾纏輔助的量子通信等方面取得了極大的成功。需要指出的是，在標準量子香農理論中，量子信息載體的傳輸路徑仍然是確定的，沒有量子化。

眾所周知，通信網絡（無論是經典還是量子通信網絡）是搭建在經典時空中的，網絡中節點間的因果順序都是確定的。比如一封郵件會經過一個個的中間伺服器最終達到收件人的郵箱，這些中間伺服器的順序都是定好的。一個有趣的情形是如果時空是量子化的，則節點間的因果順序是可以進行量子疊加的。例如在一種時空結構中信息從A經過B，C到達D，即因果順序為ABCD，而在另一種時空結構中因果順序卻是ACBD，如果時空是量子化的，則這兩種因果順序ABCD和ACBD是可以量子疊加的。還有一種更容易理解的情形是在我們的經典時空中，信息載體的傳輸路徑允許處於幾種可能路徑的量子疊加狀態。這兩種情形都超越了標準量子香農理論，這類研究被一些國際同行稱為香農理論的二次量子化，是近期量子信息理論研究的熱點，其目標是建立比標準量子香農理論更廣義的量子通信理論。

近兩年的理論研究發現當多個信道連接順序處於相干疊加態時，經典信息和量子信息的傳輸速率相比標準的量子香農理論都有進一步的提升。受此啟發，李傳鋒、柳必恆等人通過構造光學量子開關，實現了兩個信道兩種連接順序的相干疊加，利用相位鎖定技術使得相干疊加操作的保真度達到97%以上。在此基礎上，利用完全偏振消相干信道和糾纏破壞信道分別實現了經典信息和量子信息的高保真度傳輸，實驗結果均優於標準量子香農理論通信模型（傳輸路徑不相干疊加）的結果。

該工作是國際上首個利用量子信道因果序的相干疊加實現超越標準量子香農理論的量子通信的原理性實驗驗證，是香農理論二次量子化的重要一步。此外，信道連接順序的相干疊加被證實是一種非定序的因果結構，這種新奇的量子資源在其他量子信息過程，如量子計算和量子精密測量等，以及在量子時空的模擬中也有重要用途。

圖1 非定序因果結構信道的信息傳輸實驗裝置圖。

圖2 非定序因果結構信道的信息傳輸實驗結果圖。（a）經典信息（b）量子信息。

文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生郭鈺。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。

論文連結：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.030502

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）