近日，我院光电研究所彭堃墀院士领导的贾晓军团队在宽带量子光场制备及应用研究方面取得了重要进展。该团队在制备的连续变量宽带压缩态光场的基础上，完成了半设备无关量子随机数发生器和高速量子光载射频通信的研究，两个研究成果分别发表在 Physical Review Letters 和 npj Quantum Information 上。
量子态光场是开展量子信息技术研究的重要量子资源。连续变量量子态光场具有确定性产生，高效率探测和与经典通信系统高度兼容的特点，特别适合于开展高速量子信息任务。随着相关研究的深入开展，制备更高带宽的量子态光场成为开展实用化量子通信技术的前提，而非经典光场的制备系统—光学参量放大器的带宽是量子态光场带宽的重要限制因素。该团队通过系列技术改进，成功制备了有效带宽超80MHz的宽带压缩态光场。
随机数在科学研究和日常生活中都有重要应用，比如在信息安全和密码学等领域，需要第三方完全不知道的随机数作为安全性的基础。量子力学因为其物理过程具有“内禀随机性”而可以用于产生量子随机数。量子随机数发生器具有不可预测性、不可重复性和无偏性等特征，是量子通信系统中的关键核心器件。宽带压缩态的反压缩分量噪声是实现高速率量子随机数发生器的一个理想熵源。该团队基于熵不确定性原理，利用宽带压缩态光场实现了在带宽受限情境下超越真空噪声量子随机数产生速率的随机数发生器，实验装置和流程如图1所示。在放松对熵源和部分测量设备的安全性假设前提下，提高了随机数发生器的安全性，该工作的实验方案为进一步提高量子随机数的产生速率和安全性提供了参考。
图1 基于宽带压缩光的半设备无关量子随机数发生器的实验装置图
量子密集编码是一种利用量子纠缠实现的信息传输协议，它能够将信道容量提高到经典信息理论的上限的两倍。在量子密集编码中，发送方和接收方共享一对纠缠的量子比特，通过发送一个量子比特的信息来传输两个经典比特的信息。这种编码方案在理论上能够突破传统信道容量的极限。团队利用两束压缩光耦合得到的宽带纠缠态光场，结合经典的光载射频通信技术和数字调制技术，将量子密集编码的通信速率大大提高，实现了速率超过20Mbps的高速量子通信，图2是该方案的实验原理图。
图2 高速量子光载射频通信的实验原理图
此外，该团队以图片传输为例，通过比较通信过程中原始图片和传输后接收的图片，直观地展示了这种通信方式的优势，如图3所示。这个研究方案一定程度上弥合了量子通信技术与实际应用之间的差距，为在现实世界中实现量子增强的通信系统和未来量子城域通信网络的建设提供了参考。
图3 原始图片(a)和利用纠缠态(b,e)、相干态(c,f)和单个用户(d,g)解调的图片
该系列工作由彭堃墀院士和贾晓军教授带领的非经典光场产生与应用研究团队独立完成，论文的通讯作者为闫智辉教授和贾晓军教授，博士后成家霖和博士生梁少聪为论文的第一作者。两个研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41534-024-00814-z
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.140802