导读

近日，山西大学光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室苏晓龙教授团队实验实现了结合量子密集编码的光纤信道确定性纠缠辅助量子通信。该团队提出了一种改进的连续变量密集编码方案，将确定性纠缠辅助量子通信的通信距离扩展至20 km；并结合频分复用技术实现了10个微弱经典信号的同时解调，提升了通信的信道容量。该研究向实现城域光纤信道确定性纠缠辅助量子通信迈出了关键一步。相关研究成果以 "Deterministic entanglement-assisted quantum communication over 20-km fiber channel "为题发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

纠缠辅助量子通信基于共享的量子纠缠，能够提升通信的信道容量。量子密集编码是提升信道容量的一种重要编码方式。连续变量量子密集编码基于量子纠缠实现编码在光场的正交振幅和正交位相分量上的两个经典信号的同时解调，从而提升信道容量。由于连续变量纠缠态的产生和探测具有确定性的优势，因此，结合连续变量量子密集编能够实现确定性纠缠辅助量子通信。

自首次利用纠缠光子对实验实现量子密集编码以来，量子密集编码已在多种物理系统中实现，涵盖光学系统、核磁共振系统以及原子系统。然而，大多数结合量子密集编码的纠缠辅助量子通信仍局限于实验室原理性验证阶段。在实际光纤信道实现量子密集编码对于推动量子通信的实用化具有重要意义。因此，亟待开展结合量子密集编码的光纤信道纠缠辅助量子通信研究。

研究亮点

研究团队提出了一种改进的连续变量密集编码方案：发送端根据传输效率调整编码的微弱经典信号的幅度，使得接收端接收到的信号无法用相干光解调。研究团队采用独立传输纠缠光和本地振荡光的方式降低光纤信道的额外噪声，实验实现了20 km光纤信道确定性纠缠辅助量子通信。

实验装置如图1所示。在发送端，Alice首先通过两个光纤耦合器将产生的Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) 纠缠光耦合进入光纤信道；然后利用光纤振幅调制器位相调制器将两个经典信号同时加载到一束辅助相干光上，并将其与EPR纠缠光的一束通过99:1分束器耦合，实现连续变量量子密集编码。最后，Alice将编码了经典信号的EPR纠缠光通过两个独立的光纤信道发送给Bob。在接收端，Bob将两束纠缠光在50:50分束器耦合，通过两个平衡零拍探测器分别同时测量50:50分束器输出光的正交振幅和正交位相分量信息，实现信号解码。

图1：连续变量纠缠辅助量子通信实验装置图。

研究团队通过频分复用技术，同时编码了10个不同频率的经典信号，包含5个振幅信号和5个位相信号。基于连续变量量子纠缠，在不同传输距离同时确定性解调出所加载的10个不同频率的微弱经典信号（图2）。由于纠缠光的关联噪声低于相应的散粒噪声基准（真空噪声），纠缠辅助量子通信降低了背景噪声，解调了淹没于真空噪声的微弱经典信号，提高了信号的信噪比。

图2：使用频分复用后的纠缠辅助量子通信。 (a) 频分复用示意图；(b)和(c)是使用了频分复用后不同传输距离下探测的信号正交振幅和正交位相噪声功率谱。

图3为确定性纠缠辅助量子通信的信道容量。结果表明：在不同传输距离处，使用了频分复用技术的连续变量纠缠辅助量子通信的信道容量远高于相干光通信时的信道容量。在不同的平均光子数下，纠缠辅助量子通信的信道容量高于相干光通信的信道容量，且平均光子数越大，其优势越明显。

图3：纠缠辅助量子通信的信道容量。(a) 信道容量和传输距离的关系; (b) 信道容量和平均光子数的关系。

总结与展望

该研究采用改进的连续变量密集编码方案，通过独立传输纠缠光和本地振荡光的方式降低光纤信道的额外噪声，实验实现了20 km光纤信道确定性纠缠辅助量子通信。研究成果向实际光纤信道确定性纠缠辅助量子通信迈出了坚实的一步，为未来构建城域纠缠辅助量子通信网络提供了参考。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02173-6