撰稿|由课题组供稿
近期，山西大学光电研究所苏晓龙教授研究组和南京大学现代工程与应用科学学院张利剑教授研究组合作实现了高斯量子导引的提纯。研究成果以“Distillation of Gaussian Einstein-Podolsky-Rosen steering with noiseless linear amplification”为题发表于npj Quantum Information 8, 38 (2022)。
量子纠缠、量子导引和贝尔非局域性等不同形式的量子关联是量子信息的核心资源。量子导引是介于量子纠缠和贝尔非局域性之间的一类特殊的量子关联，近年来引起了理论和实验的广泛关注。量子导引与量子纠缠的不同之处在于其具有非对称性，即存在Alice可以导引Bob的量子态，而Bob不能导引Alice的量子态的情况，这被称为单向量子导引。基于其独特的性质，量子导引在安全量子隐形传输、单方设备无关量子密钥分发、量子信道鉴别等方面具有重要应用前景。
在量子通信中，量子资源在信道中传输时与环境相互作用，信道中不可避免的损耗和噪声会引起量子资源的退相干。保护量子资源不受退相干的影响对于量子通信具有十分重要的意义。研究表明，纠缠提纯可以有效对抗量子纠缠的退相干，保护量子纠缠。量子导引具有比量子纠缠更强的关联特性，并且对环境更加敏感。因此，实现量子导引的提纯对于以量子导引作为量子资源的量子通信具有重要意义，同时具有极大的挑战性。
山西大学苏晓龙教授研究组与南京大学张利剑教授研究组合作开展了损耗和噪声信道高斯量子导引提纯的研究。对于经过损耗和噪声信道传输的双模压缩态光场，利用无噪声线性放大实现了高斯量子导引的提纯，如图一所示。研究发现，基于测量的无噪声线性放大有效提高了损耗和噪声信道的高斯量子导引。值得注意的是，与纠缠提纯不同，量子导引的提纯具有方向性。该工作分析比较了分别基于Bob和Alice的测量结果实现基于测量的无噪声线性放大时，量子导引提纯的结果。基于Bob的测量结果完成无噪声线性放大时可以提高单向量子导引（即Bob对Alice的量子导引）的区域；而基于Alice的测量结果完成无噪声线性放大时可以提高双向量子导引的区域。同时，该研究将基于测量的无噪声线性放大应用于单方设备无关量子秘钥分发秘钥速率的提高。该工作对于实现基于量子导引的量子通信任务具有重要意义。
图一 高斯量子导引提纯实验示意图
刘阳博士和郑凯敏博士为该论文的共同第一作者，山西大学苏晓龙教授和南京大学张利剑教授为论文的共同通讯作者。该项研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山西省“1331”工程重点学科建设基金的支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41534-022-00549-9
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