量子信道容量的不可加性首获实验验证

仙仙

记者从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、唐建顺等与合作者合作，首次设计并实验实现了一种特殊的“退相并擦除”量子信道，并在该量子信道中验证了量子相干信息的不可加性。研究成果日前发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。


信道容量是衡量通信信道在噪声环境中通信能力的一个关键参数。对一个量子信道而言，其信道容量的概念在传输不同种类信息的情况下，有多种表现形式，即经典容量、私密容量和量子容量，量子容量表示信道传输量子信息的能力，并由相干信息的最大值来定义。经过十余年的理论研究，人们先后发现量子信道的经典容量和量子容量均具有不可加性。


所谓不可加性就好比一个人的左耳和右耳都听不到声音，但把两只耳朵一起用时，却能够听得十分清楚。量子信道容量的不可加性虽然在理论上已经有了充分的研究，但是要在实验上观测到“不可加”的现象却十分困难。在常见的量子信道中，不可加性的效应十分微弱，难以实验观测。


为了能实际观测到这一现象，研究人员在实验上构建了一种同时具有“退相”和“擦除”性质的量子信道，即“退相并擦除”量子信道，首次明显且直接地观测到了量子容量中相干信息的不可加性。研究人员搭建了一套具有n次复用能力的量子信道，研究发现，在使用双重和三重复用的信道时，其相干信息与在使用单重复用信道下测得的结果存在着明显的差值：在单重复用信道下测得相干信息量为零的情况下，双重和三重复用信道下的相干信息依旧存在。这就证明了量子相干信息的不可加性。


该成果对证明量子相干信息的不可加性和量子信道容量的测量都具有重要意义。审稿人评价“该实验研究对信息科学和量子技术领域都会有很大的帮助”。该工作构建了“退相并擦除”信道，为量子信息论的深入实验研究打下基础。（记者吴长锋）