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給糾纏態(tài)“做個CT” 讓未來量子網(wǎng)絡(luò)更安全
日期：2019-03-22 11:01:18 來源：凡帝朗
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(xiàng)目實(shí)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(shí)驗(yàn)獲知了未知量子糾纏態(tài)的保真度，首次在國際上實(shí)現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)。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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了糾纏交換過程中貝爾基測量的自檢驗(yàn)。
不再依賴于測量設(shè)備的可靠性
要實(shí)現(xiàn)量子通信、量子計(jì)算，首先要實(shí)現(xiàn)量子糾纏，但如何檢驗(yàn)量子間是否已形成了“糾纏態(tài)”，成為量子領(lǐng)域科學(xué)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?zé)o機(jī)可乘，其中仍然存在某些細(xì)微的漏洞，科技人員對因此出現(xiàn)的缺陷必須予以彌補(bǔ)。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(jìn)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(zhǔn)確性和可靠性，不能用于承擔(dān)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(bǔ)缺陷，科學(xué)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(jìn)行量子糾纏自檢驗(yàn)。只是，國際學(xué)界做了大量理論研究，而相關(guān)實(shí)驗(yàn)還是空白。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒等人巧妙設(shè)計(jì)出一種新方法，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對2個比特和3個比特量子糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。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(shí)了自檢驗(yàn)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(yàn)實(shí)驗(yàn)，為把自檢驗(yàn)推廣應(yīng)用于各種量子信息過程，及推進(jìn)量子通信和量子計(jì)算研究打下重要基礎(chǔ)?！敝锌圃毫孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)之間進(jìn)行高品質(zhì)的糾纏交換，才能把各個節(jié)點(diǎn)糾纏起來?！敝锌圃毫孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)糾纏起來，就需要量子中繼，這通常是由糾纏交換過程來實(shí)現(xiàn)?！秉S安琪對記者說，糾纏交換具體是指分開的兩個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)C來進(jìn)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(kuò)展，理論上即可實(shí)現(xiàn)長距離的糾纏分配。
“但是在實(shí)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(jìn)行檢驗(yàn)?！秉S安琪說。
由于量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yàn)很難通過常規(guī)手段直接實(shí)現(xiàn)。學(xué)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(shí)現(xiàn)對糾纏態(tài)和糾纏交換的品質(zhì)檢驗(yàn)，這被稱為自檢驗(yàn)。
“如果沒有自檢驗(yàn)，就會存在相應(yīng)的風(fēng)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?！秉S安琪說，有了自檢驗(yàn)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(jì)算機(jī)開始工作前，對病毒進(jìn)行掃描自檢。量子糾纏網(wǎng)絡(luò)也要先自檢驗(yàn)各節(jié)點(diǎn)間糾纏是否真的建立起來了，確認(rèn)后才開始工作。”黃安琪說。
填補(bǔ)糾纏交換自檢驗(yàn)研究空白
“國際上糾纏態(tài)自檢驗(yàn)的第一個實(shí)驗(yàn)也是由我們組完成的。”韓正甫告訴記者，之前學(xué)術(shù)界對自檢驗(yàn)的研究，基本集中在各種形式的糾纏態(tài)自檢驗(yàn)問題上，而對于糾纏交換的自檢驗(yàn)研究一直是空白。
“我們之所以能在國際上首次實(shí)現(xiàn)糾纏交換的自檢驗(yàn)，關(guān)鍵在于做到了兩點(diǎn)?！表n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(yàn)；另外，這次他們進(jìn)行的自檢驗(yàn)過程，既包含了糾纏交換前兩對糾纏光子之間獨(dú)立性的檢驗(yàn)，又同時包含了糾纏交換后建立的糾纏保真度的自檢驗(yàn)，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性，完全可以容忍實(shí)驗(yàn)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(yàn)的實(shí)驗(yàn)。有了糾纏態(tài)的自檢驗(yàn)和糾纏交換過程的自檢驗(yàn)，整個糾纏網(wǎng)絡(luò)的自檢驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)?！表n正甫說。