英国Heriot-Watt团队提高了量子通信技术的抗扰性

长三角G60激光联盟导读

据悉，爱丁堡Heriot-Watt大学发表了他们对量子纠缠现象的突破性研究，研究结果发表在《物理评论X》期刊上。

爱丁堡 Heriot-Watt大学的科学家们发表了他们对量子纠缠现象的突破性研究。这是指两个粒子(如光子)即使相隔很远也能保持连接。

图示：Heriot-Watt大学超二进制量子信息实验室Mehul Malik教授和他的团队

Heriot-Watt光子与量子科学研究所的研究人员说，量子纠缠将使未来的通信网络变得无懈可击。这项技术可以提供最安全的通信形式，即使设备不安全或落入犯罪分子手中。

光子学和量子科学研究所(IPAQS)在光子物理、工程光子学和量子科学方面开展了广泛、领先世界的研究。

IPAQS建立在Heriot-Watt大学40多年世界领先的光子学研究基础上，涵盖了广泛研究范围——从激光和光学传感方法到未来的制造方法，再到量子信息的基础。尤其关注量子科学及其与光子学技术的密切关系。鼓励光子学和量子科学的理论和实验之间交流，使IPAQS具有强大的能力来应对当代学术研究挑战。IPAQS为工业和其他合作伙伴实验室提供系统的技术。同时与行业保持着非常紧密的联系，目前与SELEX ES、Renishaw和AWE建立了正式的战略联盟。IPAQS在光子学方面的深度研究，成功地衍生了许多公司，包括爱丁堡仪器、Helia Photonics和PowerPhotonic。

但是在长距离上，量子纠缠会被嘈杂的现实环境所干扰，比如暴风雨天气、背景噪声或通信网络中的信号丢失。诸如此类的问题会危及量子网络的安全。

Heriot-Watt大学的物理学家与瑞士日内瓦大学的同事合作，开发了一种使量子纠缠能够在噪声、损耗和极端条件下保持稳定的方法。

Heriot-Watt大学工程与物理科学学院的实验物理学家、物理学教授Mehul Malik教授说:“即使是世界上最好的光纤，每公里也会有一定的损耗，所以这是使量子通信成为可能的一个巨大障碍。”他已经研究量子技术15年了。

“这是第一次证明量子纠缠可以克服噪声和损耗，并且仍然以一种被称为量子操纵的强形式存在。”

超越二进制量子信息实验室（BBQ Lab）

量子操控的损耗和抗噪

图示：对高维度纠缠的描绘，同时对噪声和损耗具有很强的抗扰性

量子操控是量子物理学中的一种现象，当两方，比如Joe和Rishi，共享一个纠缠态时，就会发生这种现象——两个粒子的状态是强相关的，无论粒子相距多远。通过在伦敦对他的粒子进行特定的测量，Rishi可以“操纵”在华盛顿的Joe的粒子的量子状态以某种方式运行。

物理学家Erwin Schrodinger将这种波函数的转向称为“魔法”，因为它迫使Joe相信Rishi可以从远处影响他的粒子(需要注意的是，Rishi不能以这种方式将任何信息瞬间传递给Joe)。

然而，这种形式的纠缠在现实环境（损耗和噪声）中很容易被破坏，这限制了它在量子通信等应用场景中的使用。在这项工作中，我们开发了一种新的量子操控理论测试，它不仅可以在大量的损耗和噪声下工作，而且可以非常快速地执行。我们能够在实验室中通过利用光子在空间结构中纠缠的固有高维性质来证明这一点。

与标准的二维量子单位(量子位)相比，超越二进制量子信息实验室的Malik教授和他的研究团队能够通过使用纠缠在多维(量子位)的光子来提高纠缠的稳健性。这种“高维”纠缠利用光的空间结构将光子纠缠在由光像素组成的53维空间中。

在一次测试中，研究人员能够引导纠缠光子通过相当于79公里长的电信光缆的损失和噪声条件，其中有36%是白噪声——可能是来自阳光泄漏到实验中的噪声。Malik教授说，这项研究的另一个发现是，与直觉相反，增加量子纠缠的维度数量也大大减少了测量结果所需的时间。

“高效和可信的信息流是当今现代社会的核心，”Malik教授说。“未来，量子网络将提供一种超安全、高容量的通信方式。为了建立量子互联网，我们需要能够跨越现实世界的距离发送量子纠缠。能做到这一点的唯一方法就是克服噪音和损耗。”

他补充说:“量子技术是学术界和工业界都在推进的一个新兴领域，我认为我们的研究与两者都息息相关。在学术界，它可以帮助推进基础研究，在工业界，它可以帮助未来的量子网络在全球范围内运行。

ICFO通过光纤传输双光子量子态

来自ICFO、Corning、 Micro Photon Devices和米兰理工学院（Politecnico di Milano）的研究人员成功地演示了光的双光子量子态通过相分离的Anderson局域光纤的传输。

图示：ICFO实验的示意图；ICFO能够用相分离的Anderson局域光纤传输和检索具有量子相关性的多光子态;为此就不需要环形量子光束与相分离Anderson局域光纤之间的特定匹配。通过单光子雪崩二极管(SPAD)阵列相机成像光子来实现这一目标。这一结果表明，相分离Anderson局域光纤可以应用于量子成像或量子通信。

在《通信物理学》杂志上发表的一项研究中，由ICFO的教授Valerio Pruneri带领的ICFO的研究人员Alexander Demuth, Robing Camphausen, Alvaro Cuevas，与来自Corning的Nick Borrelli, Thomas Seward, Lisa Lamberson和Karl W. Koch，来自Micro Photon Devices (MPD)的Alessandro Ruggeri以及米兰理工学院的Federica Villa和Francesca Madonini合作。已经成功地演示了光的双光子量子态通过相分离的Anderson局域光纤的传输。

与数据通过单芯传输的传统单模光纤不同，相分离光纤或相分离Anderson局域光纤由嵌入两种不同折射率的玻璃基质中的许多玻璃束制成。

在其制造过程中，随着硼硅酸盐玻璃被加热和熔化，其中两种不同折射率的往往会形成细长的玻璃链，被拉伸成纤维。由于两种折射率，产生了所谓的横向无序，导致光在材料中的横向(2D) Anderson局域化。

Corning利用Anderson技术制造了一种可以在一根光纤中传播多条光束的光纤。与多芯光纤束相反，这种PSF显示出非常适合于这种实验，许多平行光束可以以它们之间最小的间距通过光纤传播。

科学家团队是量子通信方面的专家，他们希望通过Corning的相位分离光纤尽可能高效地传输量子信息。在实验中，PSF连接发射机和接收机，发射器是由ICFO制造的量子光源。

该光源通过非线性晶体中的自发参数下转换产生量子相关光子对，其中一个高能光子被转换为两个能量较低的光子对。低能光子对的波长为810 nm。由于动量守恒，产生了空间反相关。

接收机是由Polimi公司和MPD公司开发的单光子雪崩二极管阵列相机。与普通CMOS相机不同的是，SPAD阵列相机非常敏感，可以以极低的噪声探测单光子;它还具有很高的时间分辨率，因此可以高精度地知道单光子的到达时间。

在这次演示之后，ICFO团队开始展示如何在未来的工作中改进他们的成果。为此，他们进行了缩放分析，以便找出对于810 nm的量子光波长的细长玻璃束的最佳分布尺寸。

《物理评论X》发布：

在当今充斥着网络攻击和信息泄露等威胁的数字环境中，安全量子通信的出现强烈地影响了现代技术的进步。在过去的二十年里，人们进行了大量的研究进展，以实现两个遥远方之间安全可靠的量子通信。当Alice和Bob双方可以以一种设备独立(DI)的方式验证他们之间的纠缠时，即不需要对他们的设备或通道本身进行任何信任，从而提供了最终形式的安全。这种形式的纠缠分布的一个要求是量子非定域性的测试，例如贝尔不等式的无孔洞违反，这已经在近距离尺度上证明了高达一公里。

然而，由于传播和环境噪声造成的不可避免的损耗限制了以DI方式认证纠缠的最大距离，使此类协议容易受到与公平抽样漏洞相关的攻击(假设窃听者可以利用不合理的公平抽样)。换句话说，我们必须把无法测量产生的每一个光子与恶意窃听者“偷听”量子对话的行为联系起来。填补公平采样漏洞在技术上要求很高，通常要求极高的整体系统检测效率，这自然会对现实的远距离信道施加实际限制。

量子转向是一种替代方案，它摒弃了设备无关纠缠认证的严格技术要求。在这里，我们可以假设一个可信的测量设备只存在于一侧。在这种不对称的单边设备独立(1SDI)设置中，当不受信任的一方(比如Alice)能够通过她的局部测量来调节或“引导”受信任方(Bob)的状态时，就证明了纠缠。请注意，由于Alice的测量设备不可信，以及在不可信信道中引入的任何损失或噪声，公平采样漏洞只对Alice一方构成威胁。由于Bob的测量设备是可信的，所以他不受漏洞的影响。图 (a)展示了这样一个场景的示例，其中Alice和纠缠源位于不同的(不可信的)地理位置，并通过一个不可访问的(不可信的)海底光纤通道连接。

图示：1SDI纠缠分布场景

通过增加MUB测量设置的数量M，这只可能在量子比特制度(d>2)，与基于量子比特的系统相比，人们仍然可以在信道中存在大量损失和噪声的情况下演示转向。例如，使用53个MUB设置，可以容忍低至η=0.044的预告效率和p=0.5的噪声参数。这使人们能够在信道损耗和系统噪声之间找到完美的平衡。此外，利用我们的二值化转向不等式，只有两个结果的投影测量(检测到光子或未检测到光子)不仅显示出与转向的多结果对应物相同的损失容忍度和噪声鲁棒性，而且在实验中更可行地实现两个通常在每个光子学实验室中可用的单点光子探测器。

图示：抗噪性和容损度

为了通过实验证明在关闭公平采样漏洞的情况下，噪声稳定EPR转向，使用了在其离散横向位置-动量自由度中纠缠的光子对，也称为像素纠缠。如图所示，利用平均功率为500 mw的钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，在5 mm周期极化磷酸钛酸钾(ppKTP)晶体中，通过ii型自发参数下转换产生了两个1550 nm的空间纠缠光子。在被偏振分束器分离后，来自纠缠对的每个光子都被定向到双方Alice和Bob，他们可以通过使用空间光调制器(SLM)来执行局部投影测量，以显示定制的仅相位全息图。这些全息图可测量空间模式的叠加，即来自任何MUB的状态。只有携带正确状态的光子才能有效耦合到单模光纤中。这个测量系统允许Alice和Bob执行等式中的局部测量。并根据它们之间的归一化符合计数和Bob测量的归一化排他单计数来评估式的函数元素。

图示：实验装置

在实验中，通过在mmin = 12到tommax = 53范围内的多个mub中执行二进制投影测量，演示了在高达d = 53的维度中的无检测漏洞操纵。在每一维中都排除了计算(十六进制像素)基，因为它的损失要高得多。系统噪声参数(pexp)的范围为pexp = 0.823至0.625，如图(a)。在d > 17维中，我们通过降低SLM-A的衍射效率在Alice通道上引入额外的损耗，从而降低单侧预示效率mexp -> n"r(m = d)直到状态变得不可操纵[图(b)]。对于这些减少的MEX，我们能够用m = d MUB测量设置来演示转向。例如，使用m = 53MUB设置，我们能够容忍创纪录低的单边预示效率，即NEX = 0.038土0.001，并且违反我们的转向不等式超过8个标准差。注意，这种违反是在pexp = 0.641的噪声条件下获得的。随着噪声的降低，单侧预示效率可以进一步降低。

使用d = 41中的结果来强调由于使用高维度而产生的损失容限。图(c)显示了使用m个测量设置在d = 41中演示转向所需的临界单侧预示效率ncr(m)。作为噪声参数p的函数。给定噪声水平下的临界效率会显著降低。例如，在固定噪声水平pexp = 0.625的情况下，能够使用m = 11的测量设置来演示单侧预示效率为mexp = 0.175的转向。注意，只要rexp满足exp > n"r(m ),这是可能的。当我们将测量设置的数量增加到m = 41时，Alice的通道效率可以进一步降低4倍，达到nexp = 0.044，并且仍然表现出量子转向。这清楚地证明了由高维度无检测漏洞转向违规所实现的对损失的增加稳定性。一般来说，对于给定数量的测量设置，可以通过沿着图(c)所示的临界单侧预示效率曲线工作来优化容许的损耗和噪声量。

图示：实验结果

在量子位实验中遇到的一个常见问题是，总测量时间(T)随着希尔伯特空间的维数急剧增加，因为单探测器测量的总数作为md²缩放。对于我们的二值化转向不等式，当人们在固定的置信区间内转向违规时，情况确实不是这样。考虑图所示的例子，其中对于给定的噪声和损失量，仅在维度d > 23中获得转向违例。随着d的增加，违反转向不等式10个标准差所需的总测量时间T'急剧减少，直到达到最小值。然后又逐渐增加。这允许我们在更大的维度上最小化T'，在这个维度上，抗损失和噪声的弹性非常高，并且仍然在实际测量时间内演示转向。

图示：总测量时间(T)与尺寸(d)的关系

我们在实验中验证了这一结果，通过比较采用m=d设置的两个不同维度(d1=23, d2=41)的实验数据，在固定的单边先驱效率ηexp = 0.062 0.006，噪声参数pexp = 0.775，但有两个非常不同的采集时间(t1ac = 750 ms, t2ac = 2.2 ms)。d1 = 23时，每个采集窗口测得的单个数量约为10四次方，而d2= 41时，单个数量下降了100多倍，约为70。d2 = 41中的巧合计数只是每秒几次，与串扰的顺序相同(见下图)。虽然这两种情况都证明违反了转向不平等10个标准差，但d2= 41在总测量时间(T1 = 2.53 h和T2 = 2.53 min)上实现了大幅减少。请注意，总测量时间T中不包括空间光调制器的响应时间，因为可以通过使用快速相位调制设备技术限制，如数字镜像设备来解决。

图示：高效的高维转向

单侧预示效率，或者在可信方(Bob)检测到光子预示在不可信方(Alice)存在光子的概率，可以根据双光子JTMA的知识进行优化。Bob的十六进制像素的大小可以以这样的方式设置，使得Alice和Bob之间的同时计数的概率增加，而Bob处的单个计数的概率减少，从而有效地增加Alice处的η单侧预示效率。

图示：单侧传输效率的优化

文章来源：

https://www.hw.ac.uk/

https://bbqlab.org/

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041023

长三角G60激光联盟陈长军转载