量子通信是量子信息领域最重要的应用之一。由于量子信息极易受到环境的影响，因此如何在噪声环境下进行高效量子通信是量子信息领域的一个重要挑战。相比二维体系，理论研究表明高维量子体系在信道容量和抗噪声能力上均具有明显的优势，然而要在实验上实现高效的高维量子通信仍然存在挑战。
近年来，李传锋、柳必恒研究组致力于高维量子通信网络的实验研究，在高维纠缠的制备与传输等方面取得一系列进展，包括制备出了世界上保真度最高的32维量子纠缠态[PRL125, 090503 (2020)]，实现了高维纠缠态在11公里光纤中的有效传输[Optica 7, 738 (2020)]等。接下来为了实现高效的高维量子通信，研究组必须要实现相对应的高效的量子测量。
在本实验中，研究组首先利用多点泵浦的自发参量下转换过程制备出两光子多维（本实验中制备了2、4、8维）路径纠缠态，然后设计并实验实现了多维量子态的多出口测量装置，可分别对两个光子进行多达8输出的探测。为了研究环境噪声对高维量子通信的影响，研究组采用LED对单光子探测器照射的办法引入环境杂散光，通过调节LED的亮度即可方便的调节环境噪声的大小。研究组以基于纠缠的量子密钥分发为例进行了实验研究。研究结果表明：在噪声较小时，高维全空间编码能取得最佳的编码效率。具体而言，利用4维纠缠态和8维纠缠态，经过纠错和保密放大等后处理后，每对纠缠光子依然可以得到大于1比特的密钥，超越了两维比特系统所能达到的极限。而随着噪声增大，采用高维部分子空间编码的方式则更能对抗噪声的影响，实验结果显著优于两维比特系统，从而保证在高噪声环境中依然能实现高效的高维量子通信。
该成果实验验证了高维量子通信的优势，并为不同大小噪声环境下实现高效的高维量子通信过程提供了可行的途径。
文章第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏博士。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持，柳必恒研究员是中国科学技术大学仲英青年****。
图1：实验装置图
图2：实验结果图。横坐标为环境噪声的强度。纵坐标为每对光子能产生的密钥比特数。其中d为纠缠态的维度数，k为子空间的维度数。最下边的一条线对应两维比特系统。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.110505
（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
来源：中国科学技术大学新闻网
