中国科大首次实验验证量子信道容量的不可加性

8月13日消息 据中国科学技术大学官网消息，郭光灿院士团队在量子信道容量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺等人与牛津大学 Raj Patel 资深研究员合作，首次设计并实验实现了一种特殊的 “退相并擦除”（dephrasure）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。该研究成果 2020 年 8 月 6 日发表在国际知名期刊上。

▲ 量子信道容量不可加性示意图 | 图源：中国科学技术大学官网

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”的现象却是十分困难的。因为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，李传锋研究组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”（dephrasure）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。在实验中，研究人员搭建了一套具有 n 次复用能力的量子信道 (n-fold quantum channel)。相干信息的不可加性在实验中就体现在使用两条具有单次复用能力的信道下测得的相干信息，并不等于使用一条具有双重复用信道的相干信息。同时，研究人员还发现，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。

这一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”。该工作构建了一个很有用的实验平台，即 “退相并擦除”信道，为量子信息论的深入实验研究打下基础。

了解到，该文章的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室的俞上博士和博士研究生孟雨。该研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。