量子隐形传态刚刚成为现实:在噪音中实现90%的保真度

诸平

Fig.1 High-fidelity quantum teleportation has been achieved by research team using a new hybrid entanglement technique that counters environmental noise, with a success rate nearing 90%. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Stages of noisy quantum teleportation. Credit: ZHAO-DI LIU et al.

据“科技日报”（SciTechDaily）网站2024年6月13日刊发来自中国科技大学（University Of Science And Technology Of China简称USTC）提供的消息，科学家们通过一种涉及混合纠缠（hybrid entanglement）的新方法减轻了噪声干扰，从而实现了近90%的隐形传态保真度，从而大大增强了量子通信的安全性。详见：量子隐形传态（Quantum Teleportation）刚刚成为现实:在噪音中实现90%的保真度（Quantum Teleportation Just Got Real: Achieving 90% Fidelity Amidst Noise）。

由中国科学院（Chinese Academy Of Sciences简称CAS）中国科学技术大学郭光灿（Guangcan Guo）院士领导的研究小组与芬兰图尔库大学（University of Turku, Finland）的研究小组合作，成功地克服了环境噪声，利用多方混合纠缠实现了高保真量子隐形传态。他们的研究结果2024年5月1日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Zhao-Di Liu, Olli Siltanen, Tom Kuusela, Rui-Heng Miao, Chen-Xi Ning, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo, Jyrki Piilo. Overcoming noise in quantum teleportation with multipartite hybrid entanglement. Science Advances, 1 May 2024, 10(18). DOI: 10.1126/sciadv.adj343. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj3435

克服量子隐形传态中的挑战（Overcoming Challenges in Quantum Teleportation）

量子隐形传态是量子通信中的关键协议，利用量子纠缠实现未知量子态的远程传输。然而，由于量子纠缠的脆弱性，量子隐形传态极易受到噪声的影响。在嘈杂环境中实现高保真量子隐形传态一直是一个紧迫的挑战。

量子噪声管理研究进展（Advancements in Quantum Noise Management）

此前，为了解决开放量子系统在噪声环境中的退相干问题（decoherence issue），研究团队设计了一种综合的方法来调节光子偏振和频率，利用复杂的光路设计和可编程的空间光调制器。这种方法使他们能够创建一个完全可控的相位退相干量子模拟器（decoherence quantum simulator），并利用非局部记忆效应（nonlocal memory effects）实现超越噪声的量子隐形传态。

量子隐形传态新技术（New Techniques in Quantum Teleportation）

然而，非局部记忆效应需要严格的量子资源，如环境纠缠，这通常是不可能实现的。在这些结果的基础上，目前的工作提出了一种更通用的量子隐形传态技术，可以有效地减轻环境噪声。

利用完全可控的相位退相干量子模拟器，在环境中引入特定的相位调制，制备了双光子偏振-频率混合纠缠初始态。随后，这些光子被分配到两个独立的用户终端，每个用户终端都进行退相干演化（decoherence evolution）。

结论与启示（Conclusion and Implications）

最终，通过经典通信，研究人员对检索到的量子比特执行适当的统一操作，以恢复传输的量子态，实现了接近90%的测量保真度。偏振态不违反贝尔不等式（Bell’s inequality），表明基于隐藏量子非定域性的量子隐形传态。

该方法提供了一种克服环境噪声的新方法，不同于传统的技术，如动态解耦和无退相干子空间（decoherence-free subspaces），增强了对量子非局域性的理解。

本研究中国合肥课题组获中国国家量子科学技术创新计划{Innovation Program for Quantum Science and Technology (grant no. 2021ZD0301200)}、中国国家自然科学基金{National Natural Science Foundation of China (nos. 62005263 and 11821404)}、中国中央高校基本科研业务费专项资金{Fundamental Research Funds for the Central Universities (grant no. WK2030000069)}以及中国博士后科学基金{China Postdoctoral Science Foundation (grant no. 2020 M671862)}的资助。芬兰图尔库小组得到了马格努斯·埃恩罗特基金会（Magnus Ehrnrooth Foundation）和图尔库大学研究生院{University of Turku Graduate School (UTUGS)}的财政支持。

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Abstract

Quantum entanglement and decoherence are the two counterforces of many quantum technologies and protocols. For example, while quantum teleportation is fueled by a pair of maximally entangled resource qubits, it is vulnerable to decoherence. Here, we propose an efficient quantum teleportation protocol in the presence of pure decoherence and without entangled resource qubits entering the Bell-state measurement. Instead, we use multipartite hybrid entanglement between the auxiliary qubits and their local environments within the open–quantum system context. With a hybrid-entangled initial state, it is the decoherence that allows us to achieve high fidelities. We demonstrate our protocol in an all-optical experiment.