中國科大首次實現(xiàn)突破經(jīng)典極限的量子指紋識別

　　中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、李力等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所和美國麻省理工學院的科研人員合作，利用線性光學系統(tǒng)，在20公里的光纖線路中實現(xiàn)了量子指紋識別(QuantumFingerprinting)，突破了經(jīng)典極限，首次在信道容量上實現(xiàn)了對經(jīng)典通信的超越。該成果近日發(fā)表在國際物理學權威學術期刊《物理評論快報》上[PhysicalReviewLetters116,240502(2016)]。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和多媒體應用的快速發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)時代的到來，光通信網(wǎng)絡的業(yè)務量正在以指數(shù)級的速度迅速增長?？紤]到有限的光纖線路資源，傳遞最少的信息來進行有效的數(shù)據(jù)處理和提高單根光纖信道容量是目前光通信學術界和工業(yè)界的核心問題。量子通信除了可以提供無條件安全的信息傳輸手段外，也可以通過量子通信復雜度(QuantumCommunicationComplexity)研究為提高信道容量提供有效解決途徑。

　　量子通信復雜度研究利用量子力學的疊加原理，可以用量子信道提供更高的信道容量，其中一個重要的應用就是量子指紋識別。指紋識別主要應用于遙遠雙方進行信息比對，假設需要比對的信息量為N個比特，經(jīng)典方法所需要傳送的最小信息量為W020160621342494179132.jpg比特，而量子指紋識別可以將需要傳送的信息量降低為logN比特，以指數(shù)級數(shù)提高信道容量。

　　量子指紋識別理論于2001年提出，但受限于各種技術條件，國際上以往的實驗都未能突破經(jīng)典極限。潘建偉小組搭建了具有主動相位補償?shù)?0公里長雙Sagnac干涉儀，結合中科院上海微系統(tǒng)所超導實驗室研制的超低噪聲超導納米線單光子探測器，最終實現(xiàn)了傳輸信息量比經(jīng)典極限低84%的量子指紋識別。該實驗室不但是世界上首次突破經(jīng)典極限的量子指紋識別，也是首次在實驗中觀測到量子信道容量相比經(jīng)典信道的優(yōu)越性。

　　審稿人對這一工作的重要性給予高度認可，稱贊這一實驗為“提供了量子密鑰分發(fā)之外的量子信息的重要應用”(“Itisimportanttoadvancetowardssuchimplementationsthatprovideaprovableadvantagethankstotheuseofquantumresources,forprotocolsotherthanQKD.”)，歐洲物理學會下屬網(wǎng)站《物理世界》在文章未發(fā)表之前就該工作進行了報道，報道援引國際著名量子通信專家NorbertLuetkenhaus的評論，“這項研究將開啟其他很多(量子通信)方面的應用。”

　　該研究工作得到了中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中科院超導電子學卓越創(chuàng)新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實驗室、基金委、科技部、教育部等部門的支持。

　　(合肥微尺度物質科學國家實驗室、量子信息與量子科技前沿創(chuàng)新中心、科研部)