这个领域又取得重要进展！

中国科大近期科研速览

• 中国科大在量子通信领域取得重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

• 中国科大在源无关量子随机数研究方面取得新进展

• 中国科大实现量子超表面图像边缘探测

中国科大在量子通信领域取得重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌，中科院上海微系统所尤立星等人合作，首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式在线发表在《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020)）。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”（Securing a Wireless Link with Quantum Physics）为题专门对该工作做了报道。这项成果不仅实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破，也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。MDI-QKD协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。自2012年首次提出以来，MDI-QKD协议已在光纤信道上得到快速发展，在距离更远、密钥速率更高和网络验证等方向取得了一系列突破。然而由于光纤存在固有损耗，量子信号又不能像经典通信那样被放大。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。对于另一种重要的信道，也就是自由空间信道，由于外太空几乎真空因而光信号损耗非常小，所以通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。近年来，随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。尽管MDI-QKD在光纤中得到了成功的实现，但由于大气湍流的存在，如何在如此不稳定的信道中实现量子干涉成为了巨大的挑战，这也使MDI-QKD一直未能在自由空间信道中实现。由于自由空间信道的大气湍流破坏了空间模式，在进行干涉测量前需要用单模光纤进行空间滤波，由此带来的耦合效率低下和强度涨落是本实验的两大难点。为了解决耦合效率低下的问题，研究团队首先开发了一种基于随机梯度下降算法的具有抵抗强湍流能力的自适应光学系统，使双链路总信道效率提升约4~10倍。光强的快速涨落使得光纤MDI-QKD系统中的时钟传递、光频比对方法难以直接应用于自由空间信道中。为此，实验团队在三个实验点分别使用了超稳晶振作为独立时钟源（Allen方差8×10-14），并通过测量脉冲到达时间实时反馈，得到32 ps的独立时钟同步精度；在两个编码端分别使用HCN分子吸收池校准光频，使得干涉光的频率差小于10 MHz，从而实现了远距离独立激光器之间的锁频。得益于上述一系列技术突破，实验团队利用清华大学王向斌教授的四强度优化协议，最终在上海城市大气信道中实现了第一个自由空间MDI-QKD实验。两个信道长度分别为7.7 km和11.5 km，通信双方Alice和Bob间距离为19.2 km，该距离也远远超过了地球大气的等效厚度，这意味着本工作也向着基于卫星的MDI-QKD迈出坚实一步。此外，在MDI-QKD以外的许多量子信息任务中，实现独立单光子在自由空间信道中长距离传播后的量子干涉是不可避免的。本工作发展的相关技术为在自由空间进行量子干涉的相关量子实验开辟了道路，如量子中继器、量子网络，以及在大空间尺度中探索量子力学与广义相对论融合等基本问题。

远距离自由空间MDI-QKD实验装置图

该工作的共同第一作者为曹原副研究员、博士后李宇怀和博士研究生杨奎星。上述研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、上海市和安徽省的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260503

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)

中国科大在源无关量子随机数研究方面取得新进展

我校郭光灿院士团队在源无关量子随机数研究领域取得新进展。该团队的王双、韩正甫等人针对源无关量子随机数系统中测量设备的实际特性展开研究，提出了测量端由于探测器后脉冲、探测效率不匹配、探测器对光源分布敏感等特性所带来的安全性问题，并给出了相应的解决方案。该成果发表在12月10日的国际知名学术期刊《npj Quantum Information》上。

源无关(source-independent)量子随机数协议是2016年提出的一种新型量子随机数协议。该协议通过监测用于生成随机数的相互无偏基的误码，可以在光源不可信的情况下，产生安全的私密随机数。该协议可以同时兼顾随机数发生器的安全性与高速率的需求，并可以容忍非常高的设备损耗。然而该协议仍然存在一些关键安全性问题，例如没有考虑探测器后脉冲效应、多探测器的探测效率不匹配、探测器对光源分布敏感等特性所带来的安全性隐患，这些问题严重限制了协议的实际应用。

为了有效解决上述问题，王双、韩正甫等人首先给出了包含以上参数的探测器模型，并进一步评估了这些问题对现实安全性的影响。针对探测器后脉冲效应，该团队给出了窃听者能够获得随机数信息的最小熵下界；针对探测效率不匹配和探测器对光源分布敏感问题，该团队提出了一种光源分布监测方法，并在充分考虑有限码长效应的条件下给出了基于组合安全性的码率公式。该成果量化分析了测量设备不完美性对源无关量子随机数系统的安全性影响，为实现超快实用化的源无关量子随机数发生器提供了解决方案。

包含分布监测模块的源无关量子随机数发生器实验方案图

后脉冲效应对条件最小熵的影响

论文的第一作者为该实验室博士生林幸，通讯作者为王双教授。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41534-020-00331-9

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

中国科大实现量子超表面图像边缘探测

我校郭光灿院士团队在量子超表面图像边缘探测实验研究中取得重要进展：该团队史保森教授，周志远副教授等与湖南大学罗海陆教授和美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授合作，利用高品质偏振纠缠源和高效介质超表面，实现了待检测图像状态在正常模式和边缘探测模式远程的开关切换，并且证实了在弱光场照明下，纠缠光子照明相对于直接单光子照明具有更高的信噪比。这项研究成果于2020年12月16日在线发表在美国《科学》杂志子刊《科学进展》上[Sci. Adv. 6, eabc4385(2020)]。

光子超表面器件是利用二维超薄的金属或者电介质人工微结构阵列实现电磁场振幅、相位和偏振等自由度的调控，从而实现满足需求的电磁场分布。量子纠缠是量子信息研究的重要资源，在量子密码、隐形传态、超分辨测量和量子关联成像中具有重要的优势和潜在价值。最近几年，超表面材料与量子光学结合成为一个重要的趋势，通过超表面对电磁场强大的操控能力，相关学者已经实现自旋轨道耦合多自由度纠缠态的制备与表征、多光子干涉与态重构和多光子高维态的制备与自由调控。另一方面，边缘探测是图像处理过程中的一种常用手段，主要用于提取图像的边界，该方法被广泛应用于计算视觉、医学影像自助表征和无人驾驶等领域。相较于传统的数字边缘提取方法，模拟边缘提取方法具有更高的速度和更低的能耗。因此，研究者发明了多种模拟边缘探测的方法，其中一种就是基于超表面材料。在量子纠缠照明下的超表面器件边缘探测还没有相关研究，光子间的纠缠特性将会给边缘探测带来新的可能性比如远程开关切换成像状态和较高的信噪比（在弱光场照明条件下）。

史保森教授、周志远副教授等人长期从事基于非线性过程的非经典量子光源的制备与应用相关研究，他们可以制备高品质的多种类型的双光子纠缠源，包括偏振纠缠、时间能量纠缠和轨道角动量纠缠源等，纠缠源的各项参数指标均处于国际先进水平。湖南大学罗海陆教授和美国美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授合作长期开展高效率的电介质超表面器件的设计制作和基于超表面的光场调控相关研究，并且在该领域取得许多重要成果。在该工作中，利用中国科学技术大学团队在偏振纠缠量子光源的制备与表征方面的优势以及合作者在高效率电介质超表面上的研究优势，联合团队实现了量子超表面图像边缘探测，并且展示了量子纠缠光场照明下具有成像状态远程可切换和具有较高的信噪比的特征。

在该工作中，用线偏振光照射超表面器件会发生光自旋霍尔效应，从而使两个圆偏振的出射光场在空间发生微小的平移，出射光场的中间部分的偏振态还是线偏振，边缘部分是圆偏振，通过检偏器可以提取待成像物体的边缘轮廓。利用偏振纠缠光源中的一个光子进行照明，由于该光子含有两种可能的偏振状态，在另外一个光子没有进行测量的时候，成像的状态是未知的，通过测量另外一个光子的状态，用于照明的光子的偏振状态也会随之确定，因此通过远程切换纠缠光子对中的用于触发的光子的偏振状态可以得到不同的成像效果，可以实现成像的模式在正常模式和边缘探测模式的远程切换。此外，偏振纠缠光子在时间上也具有极高的关联性，通过纠缠光源照明，并且利用符合探测的方式，我们证明了在极弱光场照明下，在单光子CCD采集的总等效光子数相同的情况下，基于纠缠照明和符合探测相对于直接照明探测具有更高的信噪比。

成像状态切换示意图和实验原理图

不同偏振下成像效果图和纠缠光子照明与单光子直接照明效果对比

该工作是量子超表面研究在图像边缘探测的一次尝试，在图像加密和隐写上具有潜在的应用，另外在光子照明匮乏的场景如酶反应跟踪与生物活体细胞的观察上，较高的信噪比会表现出一定的优势，该工作将会促进更多的关于量子光学和超表面材料相结合的相关研究。

湖南大学博士生周军晓和中国科学技术大学博士生刘世凯为论文的共同第一作者。中国科学技术大学周志远副教授、湖南大学罗海陆教授、美国加利福尼亚大学Zhaowei Liu教授为论文的共同通信作者。这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和安徽省重大研究专项的支持。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabc4385（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

来源：中国科大新闻网

扫描二维码关注

中国科大本科招生各官方平台

了解更多最新信息

还可以通过消息、私信或者留言进行咨询

中国科大本科招生

微信公众号

新浪微博

抖音视频

微信视频号

哔哩哔哩

快手视频

推荐阅读