量子密码实验新进展--13km自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信

实验实现了纠缠光子对通过地面大气13km的自由空间分发.实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.文章作者观测了类空间隔Bell-CHSH不等式的破坏,其S值达到2.45±0.09.在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了BB84-Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.文章将首先回顾量子密码实验方面的最新进展,然后再详细介绍作者的实验.     

自由空间量子通讯实验中纠缠源的研制

设计了适合自由空间量子通讯实验的纠缠源. 纠缠光子对的单模光纤搜集率约为每秒20000对,水平竖直方向的纠缠对比度大于95%,正负45°方向的纠缠对比度大于90%. 在本地得到了大于100个标准偏差的Bell 不等式破缺. 满足20 km量级的自由空间量子通讯试验要求. 关键词： 纠缠光子对 位相匹配 收集效率 贝尔不等式     

基于周期极化KTiOPO4晶体的高亮度纠缠源研制

量子纠缠是量子信息领域的核心资源,目前利用β型硼酸钡(BBO)晶体参量下转换制备的纠缠光子对的亮度较低,它直接制约了量子通信的最远距离,已无法满足星地实用化量子通信的发展需求.利用周期极化KTiOPO4晶体,采用准相位匹配技术设计产生了一种后选择的纠缠源,测得的符合计数达到了16×103s-1 mW-1,极化对比度达到27∶1,在亮度上比基于BBO的量子纠缠光源提高了一个数量级以上.这一高亮度的纠缠源可以广泛应用于量子密钥分发、量子隐形传态以及量子计算等新兴量子信息领域,为实现全球化量子通信提供了有力的保障.     

基于不同介质间量子密钥分发的研究

文章主要解决了偏振编码的光子在不同介质间进行量子密钥分发的问题,定量地分析了光子不同分量的不同透过率引起的误码率问题,并实际分析了空气-水介质间量子密钥分发引起的误码率.进一步给出了可以消除这种非理想BB84协议的单光子补偿方案,以及可以采用更加鲁棒、实用性的抗界面非幺正噪声的双光子编码方案,从而为未来实现全地域广域量子通信迈出了重要的一步.     

面向空间平台的小型化量子纠缠源

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线性介质中的自发参量下转换过程,从早期的β相偏硼酸钡晶体到后来的基于准相位匹配的周期性极化晶体等,双光子极化纠缠源凭借其在亮度和品质方面的优势得到了快速发展,这为基于卫星平台的广域量子通信和量子物理的基础检验提供了可能。从基本原理出发,系统介绍了近年来面向空间平台应用的量子纠缠源的发展和最新成果,特别是以“墨子号”量子科学实验卫星为代表的星载量子纠缠源载荷;此外,对国际上近几年关于星载量子纠缠源的进展以及未来发展趋势也进行了较为全面的介绍和分析。     

Realization of Fast All-Microwave Controlled-Z Gates with a Tunable Coupler

The development of high-fidelity two-qubit quantum gates is essential for digital quantum computing. Here,we propose and realize an all-microwave parametric controlled-Z(CZ) gates by coupling strength modulation in a superconducting Transmon qubit system with tunable couplers. After optimizing the design of the tunable coupler together with the control pulse numerically, we experimentally realized a 100 ns CZ gate with high fidelity of 99.38%±0.34% and the control error being 0.1%. We note that ...     

Long-distance quantum teleportation assisted with free-space entanglement distribution

Faithful long-distance quantum teleportation necessitates prior entanglement distribution between two communicated locations. The particle carrying on the unknown quantum information is then combined with one particle of the entangled states for Bell-state measurements, which leads to a transfer of the original quantum information onto the other particle of the entangled states. However in most of the implemented teleportation experiments nowadays, the Bell-state measurements are performed even before successful distribution of entanglement. This leads to an instant collapse of the quantum state for the transmitted particle, which is actually a single-particle transmission thereafter. Thus the true distance for quantum teleportation is, in fact, only in a level of meters. In the present experiment we design a novel scheme which has overcome this limit by utilizing fiber as quantum memory. A complete quantum teleportation is achieved upon successful entanglement distribution over 967 meters in public free space. Active feed-forward control techniques are developed for real-time transfer of quantum information. The overall experimental fidelities for teleported states are better than 89.6%, which signify high-quality teleportation.     

基于电光效应的光子频移研究

系统分析了如何通过电光调制的方式来消除量子点纠缠光源中不同偏振模式光子之间的频率差异,并实际设计了一套泡克耳斯盒电光调制方案,通过给其加载约8 V/ns的上升沿或下降沿电压,实现了18 MHz带宽的光子频率的移动.表明只需增大调制电压斜率,便可以有效实现GHz以上的频率移动,为未来实现确定性完美的量子点纠缠光源提供了切实可行的依据.     

基于量子隐形传态的完全Bell基测量

完全区分4个Bell态是实现量子隐形传态过程的关键,目前线形光学的办法还不能对Bell态进行完全的测量.我们根据两光子量子隐形传态方案利用Mach-Zehnder干涉仪,通过高位希尔伯特空间中偏振与路径之间的纠缠实现了完全bell基测量.通过引入参考光的方法,达到干涉仪两臂相位的自动稳定;该方案成功应用于16 km自由空间量子隐形传态实验中.     

在PPLN波导中利用上转换实现通讯波段单光子探测的研究

分析了在周期性极化铌酸锂(PPLN)波导中波长为1.32 μm和1.55 μm的光子和频过程.给出了达到最大信号转换效率所需要的泵浦光功率.分析了该过程中各种可能存在的噪声源,尤其是拉曼过程给出的噪声,给出了利用相干滤波片和标准具来减小噪声的方法.分析了该探测器在量子密码通讯中的应用.