中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子通信實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、柳必恒等人與香港大學(xué)理論物理學(xué)家合作，首次實(shí)現(xiàn)量子信道因果序的相干疊加，證實(shí)這種非定序因果結(jié)構(gòu)相比標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論在傳輸經(jīng)典信息和量子信息上都具有優(yōu)勢(shì)，該成果1月24日發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

香農(nóng)理論是經(jīng)典信息論的基礎(chǔ)，其中信息載體是經(jīng)典系統(tǒng)。如果把信息載體推廣到量子系統(tǒng)則得到標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論，它是量子通信與量子信息的基礎(chǔ)，已經(jīng)在量子信息壓縮、噪聲信道中的信息傳輸、糾纏輔助的量子通信等方面取得了極大的成功。需要指出的是，在標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論中，量子信息載體的傳輸路徑仍然是確定的，沒(méi)有量子化。

眾所周知，通信網(wǎng)絡(luò)（無(wú)論是經(jīng)典還是量子通信網(wǎng)絡(luò)）是搭建在經(jīng)典時(shí)空中的，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的因果順序都是確定的。比如一封郵件會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)個(gè)的中間服務(wù)器最終達(dá)到收件人的郵箱，這些中間服務(wù)器的順序都是定好的。一個(gè)有趣的情形是如果時(shí)空是量子化的，則節(jié)點(diǎn)間的因果順序是可以進(jìn)行量子疊加的。例如在一種時(shí)空結(jié)構(gòu)中信息從A經(jīng)過(guò)B，C到達(dá)D，即因果順序?yàn)锳BCD，而在另一種時(shí)空結(jié)構(gòu)中因果順序卻是ACBD，如果時(shí)空是量子化的，則這兩種因果順序ABCD和ACBD是可以量子疊加的。還有一種更容易理解的情形是在我們的經(jīng)典時(shí)空中，信息載體的傳輸路徑允許處于幾種可能路徑的量子疊加狀態(tài)。這兩種情形都超越了標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論，這類研究被一些國(guó)際同行稱為香農(nóng)理論的二次量子化，是近期量子信息理論研究的熱點(diǎn)，其目標(biāo)是建立比標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論更廣義的量子通信理論。

近兩年的理論研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)多個(gè)信道連接順序處于相干疊加態(tài)時(shí)，經(jīng)典信息和量子信息的傳輸速率相比標(biāo)準(zhǔn)的量子香農(nóng)理論都有進(jìn)一步的提升。受此啟發(fā)，李傳鋒、柳必恒等人通過(guò)構(gòu)造光學(xué)量子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信道兩種連接順序的相干疊加，利用相位鎖定技術(shù)使得相干疊加操作的保真度達(dá)到97%以上。在此基礎(chǔ)上，利用完全偏振消相干信道和糾纏破壞信道分別實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典信息和量子信息的高保真度傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論通信模型（傳輸路徑不相干疊加）的結(jié)果。

該工作是國(guó)際上首個(gè)利用量子信道因果序的相干疊加實(shí)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)量子香農(nóng)理論的量子通信的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是香農(nóng)理論二次量子化的重要一步。此外，信道連接順序的相干疊加被證實(shí)是一種非定序的因果結(jié)構(gòu)，這種新奇的量子資源在其他量子信息過(guò)程，如量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等，以及在量子時(shí)空的模擬中也有重要用途。

圖1、非定序因果結(jié)構(gòu)信道的信息傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2、非定序因果結(jié)構(gòu)信道的信息傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。（a）經(jīng)典信息（b）量子信息。

文章第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生郭鈺。本研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省的支持。