中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)研究所和美國麻省理工學(xué)院的科研人員合作，利用線(xiàn)性光學(xué)系統，在20公里的光纖線(xiàn)路中實(shí)現了量子指紋識別（Quantum Fingerprinting），突破了經(jīng)典極限，首次在信道容量上實(shí)現了對經(jīng)典通信的超越。該成果近日發(fā)表在國際物理學(xué)權威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 116, 240502 (2016)]。
隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體應用的快速發(fā)展，特別是大數據時(shí)代的到來(lái)，光通信網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)量正在以指數級的速度迅速增長(cháng)?？紤]到有限的光纖線(xiàn)路資源，傳遞最少的信息來(lái)進(jìn)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(xué)術(shù)界和工業(yè)界的核心問(wèn)題。量子通信除了可以提供無(wú)條件安全的信息傳輸手段外，也可以通過(guò)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(xué)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(gè)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(jìn)行信息比對，假設需要比對的信息量為N個(gè)比特，經(jīng)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(shù)條件，國際上以往的實(shí)驗都未能突破經(jīng)典極限。潘建偉小組搭建了具有主動(dòng)相位補償的20公里長(cháng)雙Sagnac干涉儀，結合中科院上海微系統所超導實(shí)驗室研制的超低噪聲超導納米線(xiàn)單光子探測器，最終實(shí)現了傳輸信息量比經(jīng)典極限低84%的量子指紋識別。該實(shí)驗室不但是世界上首次突破經(jīng)典極限的量子指紋識別，也是首次在實(shí)驗中觀(guān)測到量子信道容量相比經(jīng)典信道的優(yōu)越性。
審稿人對這一工作的重要性給予高度認可，稱(chēng)贊這一實(shí)驗為“提供了量子密鑰分發(fā)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(xué)會(huì )下屬網(wǎng)站《物理世界》在文章未發(fā)表之前就該工作進(jìn)行了報道，報道援引國際著(zhù)名量子通信專(zhuān)家Norbert Luetkenhaus的評論，“這項研究將開(kāi)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(chuàng )新中心、中科院超導電子學(xué)卓越創(chuàng )新中心、中科院-阿里巴巴量子計算實(shí)驗室、基金委、科技部、教育部等部門(mén)的支持。
