給糾纏態“做個CT” 讓未來量子網絡更安全
日(ri)期：2019-03-22 11:01:18 來源：凡(fan)帝朗
量(liang)子通信研究(jiu)領域，中國在(zai)(zai)賽道上(shang)已(yi)經領先(xian)一個身位(wei)，無論理論研究(jiu)還是技術(shu)應用和項目實(shi)施落地(di)，都已(yi)走(zou)在(zai)(zai)世界的(de)前列(lie)。兩(liang)個多月之(zhi)前，中國科(ke)大成員李(li)傳鋒、陳(chen)耕、張(zhang)文豪等人在(zai)(zai)測量(liang)設備“不可(ke)信”的(de)條件下，實(shi)驗獲知了未知量(liang)子糾纏(chan)態(tai)的(de)保真(zhen)度，首次在(zai)(zai)國際(ji)上(shang)實(shi)現了量(liang)子糾纏(chan)態(tai)的(de)自(zi)檢(jian)驗。研究(jiu)成果發表在(zai)(zai)國際(ji)權威期刊《物理評論快報(bao)》上(shang)。
近日，郭光燦院士團隊再(zai)度于《物理評論(lun)快報》發表論(lun)文，他們(men)把量(liang)子糾(jiu)纏態的(de)非局域性和貝爾基(ji)測量(liang)定(ding)量(liang)地聯系起來，從而首次在國(guo)際上(shang)實(shi)現了糾(jiu)纏交換(huan)過程中貝爾基(ji)測量(liang)的(de)自(zi)檢驗。
不再依賴于測量設備的可靠性
要(yao)(yao)實(shi)現量子(zi)(zi)通信(xin)、量子(zi)(zi)計算，首先要(yao)(yao)實(shi)現量子(zi)(zi)糾(jiu)纏，但如何檢驗量子(zi)(zi)間是(shi)否已形成了“糾(jiu)纏態”，成為量子(zi)(zi)領域科學家(jia)們競(jing)相攻克的難題。
量(liang)(liang)子(zi)通訊(xun)的(de)特性(xing)之一是(shi)保(bao)(bao)密(mi)度高，但也不是(shi)絕對(dui)地無機可(ke)乘，其中仍然存在某些細微的(de)漏洞，科技人員(yuan)對(dui)因此出現的(de)缺陷必須予(yu)以(yi)彌(mi)補。比如(ru)用于(yu)(yu)糾纏態(tai)信(xin)(xin)息測定(ding)的(de)量(liang)(liang)子(zi)態(tai)層析方(fang)法(fa)，類似(si)于(yu)(yu)醫院的(de)CT掃描，通過“一層層掃描”重構出糾纏態(tai)的(de)形(xing)式，進而獲得糾纏態(tai)的(de)保(bao)(bao)真度等重要信(xin)(xin)息。但這個方(fang)法(fa)依賴于(yu)(yu)測量(liang)(liang)設備的(de)準確性(xing)和可(ke)靠性(xing)，不能用于(yu)(yu)承擔對(dui)安全性(xing)有要求的(de)量(liang)(liang)子(zi)信(xin)(xin)息任務。比如(ru)量(liang)(liang)子(zi)通信(xin)(xin)的(de)檢(jian)測設備如(ru)果被竊聽者所控(kong)制，那么就會對(dui)量(liang)(liang)子(zi)通信(xin)(xin)的(de)保(bao)(bao)密(mi)性(xing)造(zao)成威脅。
為應對這一(yi)問題彌(mi)補缺陷，科學(xue)家曾提出(chu)“貝爾不等式違背”等糾纏度量方法，可以不依賴檢(jian)測(ce)設備的可信度進行量子(zi)糾纏自檢(jian)驗。只是(shi)，國際學(xue)界做了(le)大量理論研(yan)究，而相關實驗還(huan)是(shi)空白。
中國科學技術大學郭(guo)光燦(can)院士團隊李(li)傳鋒等人巧妙設計出一種(zhong)新方(fang)法，實(shi)驗(yan)實(shi)現了(le)對2個比特和(he)3個比特量(liang)子糾纏(chan)態的自(zi)檢驗(yan)實(shi)驗(yan)。他們針對不同(tong)形式的量(liang)子糾纏(chan)態，在(zai)測量(liang)設備“不可信(xin)”的條(tiao)件下(xia)，獲得了(le)未知量(liang)子態的保真度信(xin)息，并與傳統的量(liang)子態層析(xi)結果(guo)(guo)比對，證實(shi)了(le)自(zi)檢驗(yan)結果(guo)(guo)的可靠性。
“這是國際上首(shou)個(ge)具有‘高可靠(kao)、抗干擾’特性的(de)糾纏態(tai)自(zi)檢(jian)驗實驗，為(wei)把自(zi)檢(jian)驗推(tui)廣應用于各種量(liang)子信(xin)息過程，及推(tui)進量(liang)子通信(xin)和量(liang)子計(ji)算研究打下(xia)重要基礎。”中科院量(liang)子信(xin)息重點實驗室韓正甫教授告訴科技日(ri)報記(ji)者。
糾(jiu)纏交換自(zi)檢，“擊(ji)鼓(gu)傳花(hua)”不失真
“量(liang)子(zi)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)是量(liang)子(zi)通(tong)信和(he)量(liang)子(zi)計(ji)算的(de)(de)(de)重要(yao)資源。在構建量(liang)子(zi)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)網(wang)絡的(de)(de)(de)過程中，不僅需要(yao)制備高(gao)品質(zhi)的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)態，還需要(yao)在節點(dian)(dian)(dian)之(zhi)間進行高(gao)品質(zhi)的(de)(de)(de)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)交換，才能把各(ge)個節點(dian)(dian)(dian)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)起來。”中科院量(liang)子(zi)信息重點(dian)(dian)(dian)實(shi)驗室黃安琪博(bo)士告(gao)訴科技日報記者，要(yao)想構建量(liang)子(zi)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)網(wang)絡的(de)(de)(de)一(yi)個關鍵步驟，就要(yao)在分開的(de)(de)(de)節點(dian)(dian)(dian)間建立(li)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)。由于傳輸信道（通(tong)常是指光纖）存(cun)在著損耗(hao)，目前地面上量(liang)子(zi)糾(jiu)(jiu)纏(chan)(chan)分發的(de)(de)(de)距離被限制在百(bai)公里量(liang)級。
“如(ru)果想把超(chao)過這個(ge)(ge)距離的(de)兩個(ge)(ge)節點糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)起來(lai)(lai)，就需要量(liang)子中繼(ji)，這通常(chang)是由糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)交(jiao)換(huan)過程(cheng)來(lai)(lai)實現。”黃安琪對(dui)記者(zhe)說，糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)交(jiao)換(huan)具體是指(zhi)分(fen)開(kai)的(de)兩個(ge)(ge)節點A和B各制備一對(dui)糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)光(guang)子，然后分(fen)別把其中一個(ge)(ge)發給(gei)中間節點C來(lai)(lai)進行貝(bei)爾態(tai)測量(liang)，那(nei)么A和B所持有的(de)剩(sheng)下的(de)兩個(ge)(ge)光(guang)子就會(hui)糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)起來(lai)(lai)。通過將這種方(fang)法繼(ji)續擴展，理(li)論上即(ji)可實現長距離的(de)糾纏(chan)(chan)(chan)(chan)分(fen)配。
“但是在實際操作過(guo)程(cheng)中，糾纏(chan)態(tai)和糾纏(chan)交換(huan)都不可能是完美(mei)的(de)(de)，這最終會成為限制糾纏(chan)網(wang)絡規(gui)模和傳輸距離(li)的(de)(de)重(zhong)要(yao)因素，所以有必要(yao)對糾纏(chan)態(tai)和糾纏(chan)交換(huan)的(de)(de)品質進行檢驗。”黃安琪說。
由于(yu)量(liang)子(zi)網絡(luo)進行保密通信時需要(yao)很高的(de)(de)安全(quan)(quan)等級(ji)，甚至需要(yao)假(jia)設(she)(she)所使用的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)設(she)(she)備不(bu)是完(wan)全(quan)(quan)可(ke)信的(de)(de)，所以這(zhe)種檢(jian)(jian)驗很難(nan)通過常規(gui)手(shou)段直(zhi)接實(shi)現。學(xue)術界(jie)近(jin)年來(lai)發(fa)現，利用非局(ju)域性檢(jian)(jian)測(ce)(ce)時與測(ce)(ce)量(liang)設(she)(she)備無關的(de)(de)特性，可(ke)以實(shi)現對(dui)糾纏態和糾纏交換的(de)(de)品質檢(jian)(jian)驗，這(zhe)被稱為自檢(jian)(jian)驗。
“如果沒(mei)有(you)自(zi)檢驗(yan)，就(jiu)會存在相應的(de)風險，竊(qie)聽(ting)者就(jiu)有(you)可能控(kong)制我們(men)的(de)測量(liang)設(she)備的(de)輸出，讓我們(men)從數據上看以為量(liang)子(zi)糾(jiu)纏網絡已(yi)(yi)經(jing)建立起來(lai)了(le)，然而真(zhen)正(zheng)到應用(yong)的(de)時(shi)候，才發現根本就(jiu)沒(mei)有(you)糾(jiu)纏，量(liang)子(zi)網絡就(jiu)癱瘓了(le)。”黃(huang)安琪說，有(you)了(le)自(zi)檢驗(yan)過程，即(ji)便測量(liang)設(she)備不可信，只要(yao)我們(men)判斷出糾(jiu)纏網絡已(yi)(yi)經(jing)建立起來(lai)了(le)，那么(me)整個網絡就(jiu)真(zhen)的(de)糾(jiu)纏起來(lai)了(le)。
“這個過程有些類似計算機開(kai)始工作前(qian)，對病毒進(jin)行掃(sao)描自(zi)檢。量子糾(jiu)纏網絡也要(yao)先自(zi)檢驗各節點(dian)間(jian)糾(jiu)纏是否真的建立起來了，確認后才開(kai)始工作。”黃安琪說。
填補(bu)糾纏交換自檢(jian)驗研(yan)究(jiu)空白(bai)
“國際上(shang)糾(jiu)纏態自(zi)檢(jian)驗(yan)(yan)的(de)第一個實驗(yan)(yan)也是由我們組完(wan)成的(de)。”韓正甫(fu)告訴記者，之(zhi)前學術界對(dui)自(zi)檢(jian)驗(yan)(yan)的(de)研究，基本集中在(zai)各種形式(shi)的(de)糾(jiu)纏態自(zi)檢(jian)驗(yan)(yan)問題上(shang)，而對(dui)于糾(jiu)纏交(jiao)換的(de)自(zi)檢(jian)驗(yan)(yan)研究一直(zhi)是空白。
“我們(men)之所以(yi)能在(zai)國際(ji)上首次實(shi)現糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)交換的(de)(de)自(zi)檢驗(yan)(yan)，關鍵在(zai)于做到了(le)兩點。”韓正甫說(shuo)，他們(men)首先把(ba)(ba)糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)交換的(de)(de)保真度和所使(shi)用糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)態的(de)(de)非局(ju)域(yu)性(xing)定量地聯系了(le)起來，這樣就有辦(ban)法把(ba)(ba)非局(ju)域(yu)性(xing)檢測(ce)(ce)中(zhong)與測(ce)(ce)量設備無關的(de)(de)性(xing)質(zhi)傳遞給糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)交換的(de)(de)自(zi)檢驗(yan)(yan)；另(ling)外，這次他們(men)進行的(de)(de)自(zi)檢驗(yan)(yan)過程，既包含(han)了(le)糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)交換前兩對糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)光(guang)子之間獨立性(xing)的(de)(de)檢驗(yan)(yan)，又同(tong)時(shi)包含(han)了(le)糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)交換后(hou)建立的(de)(de)糾(jiu)(jiu)(jiu)纏(chan)保真度的(de)(de)自(zi)檢驗(yan)(yan)，從而使(shi)實(shi)驗(yan)(yan)結果具有很好的(de)(de)穩定性(xing)，完全可以(yi)容忍實(shi)驗(yan)(yan)誤差。
“所(suo)以，我們這(zhe)個(ge)工作(zuo)是國際上(shang)第一個(ge)成功(gong)演示糾纏交換(huan)過(guo)程自(zi)(zi)(zi)檢(jian)驗(yan)的(de)實驗(yan)。有了糾纏態的(de)自(zi)(zi)(zi)檢(jian)驗(yan)和糾纏交換(huan)過(guo)程的(de)自(zi)(zi)(zi)檢(jian)驗(yan)，整個(ge)糾纏網(wang)絡的(de)自(zi)(zi)(zi)檢(jian)驗(yan)才能(neng)實現。”韓正甫說。