中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等和奧地利維也納大學(xué)塞林格小組合作，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)高維度量子體系的隱形傳態(tài)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)18日發(fā)布的消息顯示，這是自1997年實(shí)現(xiàn)二維量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)以來，科學(xué)家第一次在理論和實(shí)驗(yàn)上把量子隱形傳態(tài)擴(kuò)展到任意維度，為復(fù)雜量子系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸以及發(fā)展高效量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

論文以編輯推薦的形式于8月15日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。包括美國物理學(xué)會(huì)的Physics雜志、英國物理學(xué)會(huì)Physics World網(wǎng)站、《科學(xué)美國人》在內(nèi)的國際權(quán)威學(xué)術(shù)和科普媒體對該工作進(jìn)行了專題報(bào)道。

通過對光子、原子等微觀粒子的精確主動(dòng)操縱，量子信息以一種變革性的方式對信息進(jìn)行編碼、儲(chǔ)存和傳輸，在信息安全與計(jì)算速度等方面可突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子通信是目前唯一被證明無條件安全的通訊方式，可以有效解決信息安全傳輸問題。量子計(jì)算由于其超快的并行計(jì)算能力，有望為密碼分析、大數(shù)據(jù)處理和材料設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案。量子隱形傳態(tài)能夠借助量子糾纏將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身，是遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子計(jì)算的核心功能單元。

要真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子物理系統(tǒng)的完整態(tài)傳輸，并把它應(yīng)用于可擴(kuò)展的量子信息技術(shù)，量子隱形傳態(tài)需要走向多體、多終端、多自由度、高維度和遠(yuǎn)距離。真實(shí)的物理體系往往包括多個(gè)粒子，每個(gè)粒子包含多種自由度，而每個(gè)自由度又可以有多個(gè)維度。專注于此重大目標(biāo)，潘建偉及其同事進(jìn)行了長期探索和耕耘。

1997年，潘建偉和奧地利同事們首次實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光子偏振態(tài)的量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。2004年，潘建偉團(tuán)隊(duì)演示了終端開放的量子隱形傳態(tài)。2006年，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了兩光子復(fù)合系統(tǒng)的量子隱形傳態(tài)。2015年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度的隱形傳態(tài)。2017年，基于墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，團(tuán)隊(duì)將量子隱形傳態(tài)的距離推進(jìn)至千公里量級(jí)。

迄今為止，所有的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)都局限于量子態(tài)的二維子空間。高維量子態(tài)的隱形傳態(tài)作為完整傳輸一個(gè)量子系統(tǒng)的最后一個(gè)待解決挑戰(zhàn)，由于其可行性理論方案和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的雙重困難，一直懸而未決。對于高維體系，由于其以維度的平方項(xiàng)增多的貝爾態(tài)數(shù)量和隨之增加的復(fù)雜糾纏特性，必須發(fā)展出一套全新的可行理論方案。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，高維貝爾態(tài)測量需要等效地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光子的高維量子態(tài)之間的控制邏輯門，這也是量子信息技術(shù)的無人區(qū)。

解決這個(gè)關(guān)鍵問題需要理論和實(shí)驗(yàn)的同步創(chuàng)新。2014年，潘建偉、陸朝陽等完成多自由度量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)后，隨即投入了對高維度課題的五年的潛心研究。在理論上，該團(tuán)隊(duì)首次提出了光子體系中可擴(kuò)展至任意維度的貝爾態(tài)測量和量子隱形傳態(tài)方案;在實(shí)驗(yàn)上，該團(tuán)隊(duì)引入一個(gè)額外輔助光子，發(fā)展了高穩(wěn)定性多通道路徑干涉技術(shù)，開創(chuàng)了多光子多維度相互作用的實(shí)驗(yàn)先河，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高維度量子隱形傳態(tài)。該實(shí)驗(yàn)中測試了三維量子態(tài)的全部12個(gè)無偏基矢，測量了高維量子隱形傳態(tài)保真度為75%，以25個(gè)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差超出了經(jīng)典界限，嚴(yán)格證明了該過程的非經(jīng)典性以及高維特性。

審稿人指出：“高維量子隱形傳態(tài)是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)”，“解決這個(gè)挑戰(zhàn)將開啟量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子技術(shù)的激動(dòng)人心的新應(yīng)用”，“這是一個(gè)非常英雄式的努力”，“這明顯是量子通信領(lǐng)域的一個(gè)里程碑”。美國物理學(xué)會(huì)Physics雜志對該工作的總結(jié)指出：“這首次實(shí)現(xiàn)三維量子態(tài)隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)為傳輸粒子的完整量子態(tài)鋪平了道路”。