基于单一压缩光的多重纠缠与多路密集编码量子通信

8月14日，美国物理学会主办的学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters Vol.125,No.070502）在线发表了光电研究所量子技术研发平台郑耀辉教授课题组近期在多重纠缠与多路密集编码量子通信方面完成的重要研究。论文题目为“Demonstration of Channel Multiplexing Quantum Communication Exploiting Entangled Sideband Modes” [Phys. Rev. Lett., 125, 070502 (2020)]。

压缩态与纠缠态光场的制备是发展连续变量量子信息技术的基础。经过几十年的持续努力，山西大学光电研究所与国际前沿同步发展，实验制备了不同类型的压缩与纠缠态光场，完成了量子通信，量子测量及量子计算等领域的多项实验研究。近年致力于将基础研究成果向应用技术转化，建立了量子技术研发平台，制备出压缩度高达13.8dB及纠缠度高达11.1dB的稳定非经典光场，成为国际上能获得高于10dB压缩态光场的少数几个实验室之一。

图1 信道复用量子密集编码通信实验方案示意图

理论研究证明，仅用一个宽带压缩光源就可以提供多对边模窄带量子纠缠态光场。我们提出了一种类光梳分频技术，第一次实验完成了多对纠缠态光场的提取，并将之应用于多路密集编码量子通讯，实现了相同光子数下，当前国际上最高的光通讯信道容量。图1为通信系统示意图，一束压缩光(squeezer)经光梳系统频分为几对纠缠态光(BF₊₁,BF₊₂,……BF_+n)和(BF_-1,BF_-2,……BF_-n)，之后经解多重(Demultiplexing)分别分配到遥距的发射站(Sender)与接收站(Receiver)，在发射站不同的发送者各向编码两组独立信号在BF_+n的两个正交量子变量上，之后送至接收站，不同接收者用他们独自掌接的纠缠光之一(BF_-n)解码信号光(BF_+n)，获得独立的两组信息。由于采用了量子纠缠解码，调制信号可以低于真空噪声，因此具有保密功能，而且信噪比与信道容量均高于任何其它光通讯。图2为信道容量对比图。C_fd为我们方案的通信总容量，它远高于其它类型的光通信（C_ch, Csq, C_Fork分别为相干态、压缩态、Fork态光通信的信道容量，C_sd为我们方案中单个信道的信道容量。）。

图2量子密集编码通信的信道容量与平均光子数

我们所提供的分频技术原则上可以扩展至很多路（n很大），因此为一个压缩光源频分至多重独立的纠缠源提供了可行技术，为构建未来的量子信息网络开辟了新的途径。

该论文的作者为史少平、田龙、王雅君、郑耀辉、谢常德、彭堃墀，其中史少平和田龙为共同第一作者，郑耀辉为通信作者。

这项工作得到国家自然科学重点项目、国家重点研发计划、山西省重点研发计划的支持。

论文链接https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.070502。