中國科大首次實現突破經典極限的量子指紋識別
2016-06-22 15:29:26 n中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、李力等與中科院上海微系統與信息技術研究所和美國麻省理工學院的科研人員合作，利用線性光學系統，在20公里的光纖線路中實現了量子指紋識別（Quantum Fingerprinting），突破了經典極限，首次在信道容量上實現了對經典通信的超越。該成果近日發表在國際物理學權威學術期刊《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 116, 240502 (2016)]。
隨著互聯網技術和多媒體應用的快速發展，特別是大數據時代的到來，光通信網絡的業務量正在以指數級的速度迅速增長。考慮到有限的光纖線路資源，傳遞最少的信息來進行有效的數據處理和提高單根光纖信道容量是目前光通信學術界和工業界的核心問題。量子通信除了可以提供無條件安全的信息傳輸手段外，也可以通過量子通信復雜度（Quantum Communication Complexity）研究為提高信道容量提供有效解決途徑。量子通信復雜度研究利用量子力學的疊加原理，可以用量子信道提供更高的信道容量，其中一個重要的應用就是量子指紋識別。指紋識別主要應用于遙遠雙方進行信息比對，假設需要比對的信息量為N個比特，經典方法所需要傳送的最小信息量為
比特，而量子指紋識別可以將需要傳送的信息量降低為 logN比特，以指數級數提高信道容量。
量子指紋識別理論于2001年提出，但受限于各種技術條件，國際上以往的實驗都未能突破經典極限。潘建偉小組搭建了具有主動相位補償的20公里長雙Sagnac干涉儀，結合中科院上海微系統所超導實驗室研制的超低噪聲超導納米線單光子探測器，最終實現了傳輸信息量比經典極限低84%的量子指紋識別。該實驗室不但是世界上首次突破經典極限的量子指紋識別，也是首次在實驗中觀測到量子信道容量相比經典信道的優越性。
審稿人對這一工作的重要性給予高度認可，稱贊這一實驗為“提供了量子密鑰分發之外的量子信息的重要應用”( “It is important to advance towards such implementations that provide a provable advantage thanks to the use of quantum resources, for protocols other than QKD.”)，歐洲物理學會下屬網站《物理世界》在文章未發表之前就該工作進行了報道，報道援引國際著名量子通信專家Norbert Luetkenhaus的評論，“這項研究將開啟其他很多(量子通信)方面的應用。”
該研究工作得到了中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中科院超導電子學卓越創新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實驗室、基金委、科技部、教育部等部門的支持。
