中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、李力等与中科院上海微系统与信息技术研究所和美国麻省理工学院的科研人员合作,利用线性光学系统,在20公里的光纤线路中实现了量子指纹识别(Quantum Fingerprinting),突破了经典极限,首次在信道容量上实现了对经典通信的超越。该成果近日发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 116, 240502 (2016)]。
  随着互联网技术和多媒体应用的快速发展,特别是大数据时代的到来,光通信网络的业务量正在以指数级的速度迅速增长。考虑到有限的光纤线路资源,传递最少的信息来进行有效的数据处理和提高单根光纤信道容量是目前光通信学术界和工业界的核心问题。量子通信除了可以提供无条件安全的信息传输手段外,也可以通过量子通信复杂度(Quantum Communication Complexity)研究为提高信道容量提供有效解决途径。量子通信复杂度研究利用量子力学的叠加原理,可以用量子信道提供更高的信道容量,其中一个重要的应用就是量子指纹识别。指纹识别主要应用于遥远双方进行信息比对,假设需要比对的信息量为N个比特,经典方法所需要传送的最小信息量为比特,而量子指纹识别可以将需要传送的信息量降低为 logN比特,以指数级数提高信道容量。
  量子指纹识别理论于2001年提出,但受限于各种技术条件,国际上以往的实验都未能突破经典极限。潘建伟小组搭建了具有主动相位补偿的20公里长双Sagnac干涉仪,结合中科院上海微系统所超导实验室研制的超低噪声超导纳米线单光子探测器,最终实现了传输信息量比经典极限低84%的量子指纹识别。该实验室不但是世界上首次突破经典极限的量子指纹识别,也是首次在实验中观测到量子信道容量相比经典信道的优越性。
  审稿人对这一工作的重要性给予高度认可,称赞这一实验为“提供了量子密钥分发之外的量子信息的重要应用”( “It is important to advance towards such implementations that provide a
provable advantage thanks to the use of quantum resources, for protocols other than QKD.”),欧洲物理学会下属网站《物理世界》在文章未发表之前就该工作进行了报道,报道援引国际著名量子通信专家Norbert Luetkenhaus的评论,“这项研究将开启其他很多(量子通信)方面的应用。”
  该研究工作得到了中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中科院超导电子学卓越创新中心、中科院-阿里巴巴量子计算实验室、基金委、科技部、教育部等部门的支持。
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