Experimental quantum teleportation

Bouwmeester，D； Pan，JW； Mattle，K； et al.

Unconditional quantum teleportation

Furusawa，A； Sorensen，JL； Braunstein，SL； et al.

Teleportation of continuous quantum variables

Braunstein，SL； Kimble，HJ

Deterministic quantum teleportation with atoms

Riebe，M； Haffner，H； Roos，CF； et al.

量子通信現(xiàn)狀與展望*

吳華1，王向斌2，3，4，潘建偉1，3

1 中國科學技術(shù)大學公共事務學院，合肥230026

2 清華大學物理系低微量子物理國家重點實驗室，北京100084

3 量子信息與量子科學前沿協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥230026

4 濟南量子技術(shù)研究院，濟南250101

量子信息研究進展

李傳鋒，郭光燦

熱點追蹤

量子隱形傳態(tài)

·編者按·

日前，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，這是自1997年國際上首次實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來，科學家們經(jīng)過18年努力在量子信息實驗領域取得的又一重大突破，為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡技術(shù)奠定堅實基礎.2015年2月26日，國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》以封面標題形式發(fā)表了這一重大成果，被稱為是處于當前量子光學和量子信息領域里的一個偉大的成就.2010年清華大學和北京師范大學研究組在國際上提出了第一個包含兩個自由度的多自由度量子體系的隱形傳態(tài)的理論方案，文章發(fā)表在《物理評論A》上，得到了國內(nèi)外同行關注.2015年3月6日，國際權(quán)威物理學期刊《物理評論快報》發(fā)表了中國科學技術(shù)大學多方量子通信方案，該方案在實用化、遠距離多方量子通信方面邁出了重要的一步.

量子通信基于量子力學原理，將微觀世界的物質(zhì)特性運用到通信技術(shù)上，在高速傳輸和高可靠保密通信方面具有優(yōu)勢，成為當今通信技術(shù)領域的研究熱點之一.量子通信的基本思想主要由Bennett等人于20世紀80年代起相繼提出，是利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)，由量子論和信息論相結(jié)合而產(chǎn)生，主要包括量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，QKD）、量子秘密共享（Quantum secret sharing，QSS）、量子安全直接通信（Quantum secure direct communication，QSDC）、量子密集編碼和量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation，QT）.從物理學角度看，量子通信是在物理極限下利用量子效應現(xiàn)象完成的高性能通信，從物理原理上確保通信的絕對安全，解決了通信技術(shù)無法解決的問題，是一種全新的通信方式.從信息學角度看，量子通信是利用量子不可克隆、量子測量塌縮或者量子隱形傳態(tài)等量子特性，借助量子測量的方法實現(xiàn)兩地之間的信息數(shù)據(jù)傳輸.量子通信中傳輸?shù)募扔?，1這樣的經(jīng)典信息，也有量子迭加態(tài)、糾纏態(tài)這樣的量子信息，是未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向.

近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)建成，驗證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡化的可行性.歐盟已提出將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)千公里量級的量子密鑰分發(fā)；日本國立信息通信研究院計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng).我國在該領域的發(fā)展起步晚，但起點高，進展快，在應用研究的多個方面已經(jīng)達到世界先進水平.可以預想，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應用，成為電子政務、電子商務、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務的驅(qū)動器，為當今信息化社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障.

本專題得到了龍桂魯教授（清華大學物理系）的大力支持.

·熱點數(shù)據(jù)排行·

截至2015年3月20日，中國知網(wǎng)（CNKI）和Web of Science（WOS）的數(shù)據(jù)報告顯示，以量子通信的分支“量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）”為詞條可以檢索到的期刊文獻分別為427與644條，本專題將相關數(shù)據(jù)按照：研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)、作者發(fā)文數(shù)、期刊發(fā)文數(shù)、被引用頻次進行排行，結(jié)果如下.

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

作者發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

作者發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

根據(jù)中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)報告，以量子隱形傳態(tài)為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下.

國內(nèi)數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

根據(jù)Web of Science統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以量子隱形傳態(tài)（Quantum Teleportation）為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下.

國外數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

·經(jīng)典文獻推薦·

基于Web of Science檢索結(jié)果，利用Histcite軟件選取LCS（Local Citation Score，本地引用次數(shù)）TOP 30文獻作為節(jié)點進行分析，得到本領域推薦的經(jīng)典文獻如下.

本領域經(jīng)典文獻

來源出版物：Physical Review A，1994，49（2）：1473-1476

Experimental quantum teleportation

Bouwmeester，D； Pan，JW； Mattle，K； et al.

Abstract: Quantum teleportation-the transmission and reconstruction over arbitrary distances of the state of a quantum system-is demonstrated experimentally. During teleportation，an initial photon which carries the polarization that is to be transferred and one of a pair of entangled photons are subjected to a measurement such that the second photon of the entangled pair acquires the polarization of the initial photon. This latter photon can be arbitrarily far away from the initial one. Quantum teleportation will he a critical ingredient for quantum computation networks.

來源出版物：Nature，1997，390（6660）： 575-579

Unconditional quantum teleportation

Furusawa，A； Sorensen，JL； Braunstein，SL； et al.

Abstract: Quantum teleportation of optical coherent states was demonstrated experimentally using squeezed-state entanglement. The quantum nature of the achieved teleportation was verified by the experimentally determined fidelity F-exp=0.58+/-0.02，which describes the match between input and output states. A fidelity greater than 0.5 is not possible for coherent states without the use of entanglement. This is the first realization of unconditional quantum teleportation where every state entering the device is actually teleported.

Keywords: podolsky-rosen paradox； sub-poissonian light； continuous-variables； atomic-state； realization； conversion； cavity

來源出版物：Science，1998，282（5389）： 706-709

Teleportation of continuous quantum variables

Braunstein，SL； Kimble，HJ

Abstract: Quantum teleportation is analyzed for states of dynamical variables with continuous spectra，in contrast to previous work with discrete（spin）variables. The entanglement fidelity of the scheme is computed，including the roles of finite quantum correlation and nonideal detection efficiency. A protocol is presented for teleporting the wave function of a single mode of the electromagnetic field with high fidelity using squeezed-state entanglement and current experimental capability.

Keywords: podolsky-rosen paradox； nondegenerate parametric amplification； squeezed light； atomic-state； phase； spectroscopy； realization；channels

來源出版物：Physical Review Letters，1998，80（4）： 869-872

Deterministic quantum teleportation with atoms

Riebe，M； Haffner，H； Roos，CF； et al.

Abstract: Teleportation of a quantum state encompasses the complete transfer of information from one particle to another. The complete specification of the quantum state of a system generally requires an infinite amount of information，even for simple two-level systems（qubits）. Moreover，the principles of quantum mechanics dictate that any measurement on a system immediately alters its state，while yielding at most one bit of information. The transfer of a state from one system to another（by performing measurements on the first and operations on the second）might therefore appear impossible. However，it has been shown（1）that the entangling properties of quantum mechanics，in combination with classical communication，allow quantum-state teleportation to be performed. Teleportation using pairs of entangled photons has been demonstrated（2-6），but such techniques are probabilistic，requiring post-selection of measured photons. Here，we report deterministic quantum-state teleportation between a pair of trapped calcium ions. Following closely the original proposal（1），we create a highly entangled pair of ions and perform a complete Bell-state measurement involving one ion from this pair and a third source ion. State reconstruction conditioned on this measurement is then performed on the other half of the entangled pair. The measured fidelity is 75%，demonstrating unequivocally the quantum nature of the process.

Keywords: Podolsky-Rosen Channels； Computer； State

來源出版物：Nature，2004，429（6993）： 734-737聯(lián)系郵箱：Blatt，R； Rainer.Blatt@uibk.ac.at

·推薦綜述·

量子通信現(xiàn)狀與展望*

吳華1，王向斌2，3，4，潘建偉1，3

1 中國科學技術(shù)大學公共事務學院，合肥230026

2 清華大學物理系低微量子物理國家重點實驗室，北京100084

3 量子信息與量子科學前沿協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥230026

4 濟南量子技術(shù)研究院，濟南250101

1引言

“最近的16公里量子態(tài)隱形傳輸?shù)某晒υ囼灡砻?，中國將有能力建立起衛(wèi)星與地面的安全量子通信網(wǎng)絡.”——美國《時代周刊》在“爆炸性新聞”欄目中以“中國量子科學的飛躍”為題，對2010年中國科技大學與清華大學合作完成的16公里量子態(tài)隱形傳輸試驗進行了評論.相比于經(jīng)典通信，量子通信究竟有哪些優(yōu)勢，有哪些應用，源于何種原理以及方法和技術(shù)手段等，無疑是大家所關心的.我們將在此介紹量子通信的基本概念與方法、技術(shù)現(xiàn)狀，以及未來應用前景.

量子通信的基本思想主要由Bennett 等于20世紀80年代和90年代起相繼提出，主要包括量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，QKD）［1］和量子態(tài)隱形傳輸（quantum teleportation）［2］.量子密鑰分發(fā)可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式可以實現(xiàn)點對點方式的安全經(jīng)典通信.這里的安全性是在數(shù)學上已經(jīng)獲得嚴格證明的安全性，這是經(jīng)典通信迄今為止做不到的.現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以實現(xiàn)百公里量級的量子密鑰分發(fā)［3］，輔以光開關等技術(shù)，還可以實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡［4；5］.量子態(tài)隱形傳輸是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測量，實現(xiàn)量子態(tài)（量子信息）的空間轉(zhuǎn)移而又不移動量子態(tài)的物理載體，這如同將密封信件內(nèi)容從一個信封內(nèi)轉(zhuǎn)移到另一個信封內(nèi)而又不移動任何信息載體自身.這在經(jīng)典通信中是無法想象的事.基于量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)和量子存儲技術(shù)的量子中繼器可以實現(xiàn)任意遠距離的量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡.

量子通信的實現(xiàn)基于量子態(tài)傳輸.為便于傳輸，現(xiàn)有的量子通信實驗一般以光子為量子態(tài)載體，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸. 量子信息的編碼空間以光偏振（見圖1）為主.

如前所述，量子態(tài)隱形傳輸只是在空間轉(zhuǎn)移量子信息（量子態(tài)），但并不轉(zhuǎn)移量子信息的物理載體.若以光子為量子信息載體，量子態(tài)隱形傳輸就是把量子信息從一個光子上轉(zhuǎn)移到遠處另外一個光子上.這樣的量子態(tài)隱形傳輸有一個明顯的應用：在惡劣通道情況下，若直接傳輸光子本身進行量子通信，將會由于誤碼率過大而無從實現(xiàn)通信任務.而基于量子態(tài)隱形傳輸?shù)牧孔油ㄐ庞捎跓o需傳輸光子本身，其通信質(zhì)量不受物理通道影響.量子態(tài)隱形傳輸需要通信雙方預先共享一個量子糾纏態(tài)（常用的兩光子量子糾纏態(tài)又稱糾纏光子對，或糾纏對）.為了預先共享糾纏對，需要預先進行糾纏對分發(fā).實際上，糾纏分發(fā)本身也可以用來實現(xiàn)量子密鑰分發(fā).通信雙方預先共享的糾纏對的質(zhì)量取決于糾纏分發(fā)時的通道狀況.用于各類噪聲的存在，共享糾纏對一般是不理想的.Bennett等人［1；2］的理論表明，通過對不理想糾纏對純化可以獲得高質(zhì)量糾纏對.基于此可以實現(xiàn)高品質(zhì)的量子態(tài)隱形傳輸.目前，量子態(tài)隱形傳輸［6］、糾纏光子對分發(fā)［7；8］，以及糾纏純化［9；10］都已經(jīng)獲得廣泛實驗研究.

基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)無需共享糾纏對資源，只需要單光子態(tài)傳輸.目前真實系統(tǒng)沒有理想單光子源，采用的是近似單光子源，即強度為單光子量級的弱激光源，后簡稱弱光.由于傳輸損耗，基于弱光傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)安全距離受到嚴重限制.另一方面，竊聽者可以冒充通道損耗進行光子分數(shù)攻擊（photon number splitting attack，PNS attack）［11；12］.文獻分析表明，現(xiàn)有技術(shù)的安全距離實際上不到20公里.一個行之有效的辦法是采用近年發(fā)展起來的誘騙態(tài)方法（decoy-state method）［13～16］，它雖然繼續(xù)采用現(xiàn)有光源，但安全性等價于理想單光子源，距離與理想單光子源距離基本相同.

基于量子力學原理，單量子態(tài)信號不能被完全克隆放大，而通道損耗隨距離呈指數(shù)增長.因此，不論光源與檢測技術(shù)如何發(fā)展，單量子態(tài)的直接傳輸距離不可能無限發(fā)展.一般認為，其極限距離大概在數(shù)百公里量級.遠程量子通信的最終實現(xiàn)將依賴于量子中繼概念.其基本思想是：在空間建立許多站點.各相鄰站點間預先共享并存儲量子糾纏對.采用量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增長量子糾纏對的空間分隔距離.如果預先將糾纏對布置在各相鄰站點，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實現(xiàn)次近鄰站點間的共享糾纏.繼續(xù)操作下去，原則上可以實現(xiàn)在很遠的兩個站點間建立共享糾纏，即實現(xiàn)遠距離量子通信.基于量子中繼［17；18］的量子通信距離沒有原理上的限制.基于量子中繼的遠程量子保密通信，即便所有中繼站都為敵方控制，終端間的通信依然是安全的.這是量子中繼相比于經(jīng)典中繼（又稱可信中繼）的最大優(yōu)勢.

近年來，以BB84協(xié)議和量子態(tài)隱形傳輸為代表的量子通信理論與實驗在以越來越快的速度朝實用化和商用化方向迅猛發(fā)展.

2量子通信的基本原理

點對點保密通信最直接的辦法是讓通信雙方先共享一串密碼，然后以此密碼通過一次一密的加密方式對通信內(nèi)容加密、解密.Shannon［19］于1948年已經(jīng)證明，若密碼是安全的，則通信內(nèi)容嚴格安全.現(xiàn)有的經(jīng)典協(xié)議不能確保通信雙方的共享密碼的安全性.例如，使用秘密信道建立共同密碼的方法.經(jīng)典通信不存在可證實的絕對安全的秘密信道，因為竊聽者原則上總可以做到獲取“秘密通道”的信息（密碼）而又不留痕跡.合法用戶無從知曉通過“秘密信道”發(fā)送的密鑰有沒有被竊聽.建立密鑰的另一種經(jīng)典方法是基于對特定數(shù)學問題的復雜性假定.然而，現(xiàn)有的復雜性假定并未獲得嚴格的數(shù)學證明，基于量子邏輯的大數(shù)分解算法［20］卻從理論上證明了經(jīng)典RSA通信協(xié)議不安全.下面我們重點介紹量子密鑰分發(fā)理論協(xié)議的安全性問題.

2.1BB84 協(xié)議及其安全性

相比于經(jīng)典通信，量子通信的一個重大優(yōu)勢是可以實現(xiàn)嚴格數(shù)學證明下的安全性（絕對安全性）.為實現(xiàn)絕對安全的保密通信，Benett與Brassard于1984年提出了首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議［1］（見圖2），即著名的BB84協(xié)議.這種方案的安全性基于量子力學的兩個基本原理：單光子的不可分割性和單光子量子態(tài)的測量塌縮性.

在BB84協(xié)議以及大多數(shù)量子信息處理中，以單量子態(tài)對應于經(jīng)典二進制碼（bit）.基本要求是所選擇的量子系統(tǒng)有兩個基本態(tài).在BB84協(xié)議中水平或45°偏振對應于經(jīng)典比特0；豎直或135°偏振對應于經(jīng)典比特1.Alice向Bob發(fā)射一系列單光子偏振態(tài).每個光子的偏振從水平、豎直、45°或135°中隨機選出.或者說，Alice隨機使用了兩組基，我們稱之為直角基（水平，豎直偏振）及斜角基（45°偏振或135°偏振）.對每個飛入光子，Bob隨機選用直角或斜角基測量其偏振.Bob丟棄那些使用了錯誤基得到的測量結(jié)果.對于剩下的測量記錄，隨機抽取一部分與Alice對照，檢驗每組基下各態(tài)的誤碼率并丟棄這些公開宣布的用作檢驗的測量結(jié)果.再對剩余數(shù)據(jù)（我們稱之為初始碼）通過糾錯，隱私放大而提煉出最終碼.

光子總是以一個整體出現(xiàn).半個光子的事件從來不會發(fā)生BB84協(xié)議要求傳輸?shù)膯喂庾用}沖，原理上不允許竊聽者通過分割光子并保留部分光子的辦法進行竊聽.竊聽者要么獲得完整光子，要么什么都沒有獲得.量子物理學把測量視為物理學過程的一部分.對一個量子體系觀測，原則上會帶來擾動.量子世界里不存在“靜悄悄地偷看”，即觀測而又不對被觀測系統(tǒng)產(chǎn)生擾動.就是說，觀測就會留下痕跡，這些構(gòu)成量子密鑰安全性的物理基礎.

嚴格的安全性證明最早由Mayers［21］于1996年給出Shor與Preskill［22］于1999年給出了大為簡化的證明，其主要結(jié)論是：任何竊聽者對最終碼的信息量大于?的概率小于?，其中?，?為指數(shù)接近于零點小量，如100億分之一.最終碼的產(chǎn)出率取決于通道誤碼率.就BB84方案而言量子密鑰分發(fā)誤碼率上限值為11%.

雖然BB84方案已經(jīng)被證明是絕對安全的，這并不意味著任何以該方案為基礎的實驗都是安全的.這是因為所進行的實驗未必真正符合BB84安全性證明中所要求的前提條件.證明中假設了單光子源，由于技術(shù)難度極高，現(xiàn)有的實驗多采用單一強度弱激光，即弱相干態(tài)光.其安全性上存在一定問題，下面我們做簡要的介紹.

2.2光子數(shù)分離攻擊

如前所說，單光子的不可分割性是量子密碼安全性的重要物理基礎.然而，多光子脈沖不再擁有不可分割性.例如，一個包含兩個光子的脈沖，原則上可以被分割為兩個單光子脈沖，所以其安全性基礎就不復存在了，就會遭受光子數(shù)分離攻擊，下面我們來具體介紹下光子數(shù)分離攻擊［11；12］.由于量子通信通道損耗率極大，對于100 km以上的距離，加上探測效率，整體效率將小于千分之一.根據(jù)理論證明，理想單光子源即便在高損耗通道下也是絕對安全的，可是實際系統(tǒng)使用的弱光在高損耗通道下則結(jié)果完全不同：竊聽者可以冒充通道損耗通過光子數(shù)分離攻擊而獲得全部密碼.如圖3所示，為表述方便，我們以偏振空間為例.弱相干態(tài)脈沖實際上是單光子與多光子脈沖的概率混合.即，在所發(fā)出的非真空脈沖中，有些是單光子的，有些是多光子的（2光子，3光子，…）.多光子脈沖即包含了多個全同偏振光子.竊聽者可將其分離，自己留下一個，將剩余光子送到遠程合法用戶.對于這些多光子脈沖，竊聽者可以擁有與合法用戶完全一樣的偏振光子而不對遠程合法用戶的光子偏振態(tài)造成任何擾動.即，對于多光子脈沖，竊聽者可以擁有100%的信息而不被察覺.竊聽者可以選擇將所有單光子脈沖完全吸收而使得遠程合法用戶的所有比特皆由光源的多光子脈沖產(chǎn)生.竊聽者的行為不會被合法用戶察覺，因為竊聽者可以對每個單獨脈沖隨時調(diào)整通道衰減系數(shù)，從而使得遠程合法用戶的探測器計數(shù)率等同于高損耗自然通道.

對于2005年以前的弱相干態(tài)密鑰分發(fā)實驗［20；23～27］，竊聽者可獲取全部信息而不留下任何痕跡.事實上，量子密碼發(fā)明者之一，Brassard等［11；12］早在2000年就對弱相干態(tài)量子密碼實驗做出批評，Brassard等在其著名論文的摘要部分指出：“Existing experimental schemes（based on weak pulses）currently do not offer unconditional security for the reported distances and signal strength”，即：“現(xiàn)有基于（相干態(tài)）弱脈沖的做法，據(jù)其所報告的距離及所采用的脈沖強度，并不提供絕對安全性.”Brassard的這一評論適用于2005年以前所有基于弱相干光的量子密鑰分發(fā)實驗［20；23～27］.幸運的是，于2005年起發(fā)展起來的誘騙態(tài)量子密碼理論，提供了一個基于弱相干光源的安全量子密鑰分發(fā)方案.

2.3側(cè)信道攻擊和木馬攻擊

盡管量子通信技術(shù)在理論上具有“無條件安全性”，但理論方案安全性和實際系統(tǒng)安全性這兩個層面之間仍存在一條狹窄但分明的縫隙.利用量子保密通信系統(tǒng)器件的性能缺陷進行竊聽，或者針對器件的弱點進行主動攻擊都可能削弱甚至破壞量子保密通信系統(tǒng)的安全性.自2000年以來，隨著量子通信技術(shù)的逐步實用化，實用系統(tǒng)中的安全攻防問題變得越來越重要，并引起研究者的高度重視.針對早期方案和實驗技術(shù)中的安全性漏洞，已提出了大量的攻擊方案，如偽裝態(tài)攻擊、相位重映射攻擊、定時側(cè)信道攻擊、大脈沖攻擊、光學部件高能破壞攻擊等.這些攻擊方案，統(tǒng)稱為側(cè)信道攻擊和木馬攻擊.

“木馬攻擊”中的木馬是指實際的量子保密通信系統(tǒng)其信號源、接收器以及其他部件有可能存在的某種弱點，針對這種弱點，可以設計攻擊方案，主動誘使系統(tǒng)內(nèi)部信息泄露.如果不彌補器件的弱點，這種攻擊常常能有效地擊破量子保密通信系統(tǒng)的安全性.比如說“大脈沖攻擊”法，由于光學器件總會有一定反射能力.竊聽者因此向光路中發(fā)射高亮度激光.對于某些量子保密通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，被反射回來的光會被系統(tǒng)中的極化或相位調(diào)制器調(diào)制，這樣，攻擊者就得到了發(fā)射方信號態(tài)的極化或相位信息，而不會引入額外的干擾，也就不會被發(fā)現(xiàn).再如“高能破壞攻擊”使用高亮度激光擊毀衰減器，破壞了弱相干光源，隨后就可以使用“分束器攻擊”或者“分離光子數(shù)攻擊”竊取密鑰.主動攻擊法還有“偽裝態(tài)攻擊”、“相位再映射攻擊”等.而側(cè)信道攻擊法是指量子通信系統(tǒng)可能存在泄漏密鑰信息的側(cè)信道.側(cè)信道攻擊最出名的就是分離光子數(shù)攻擊，此外，最近提出的針對有記憶的裝置無關QKD系統(tǒng)的攻擊就利用了經(jīng)典協(xié)商信道的側(cè)信道泄漏.

3量子通信的基本方法

3.1實用化點對點量子通信

該方法要求隨機改變相干態(tài)脈沖強度而測出單光子計數(shù)率［13～16］.以此為輸入?yún)?shù)提煉出最終碼.采用該法所得最終碼，其安全性與用理想單光子源所獲最終碼等價.對于弱相干態(tài)光源所發(fā)射的脈沖，有一部分是多光子脈沖，一部分是單光子脈沖.誘騙態(tài)方法的主要功能是測算在接受端Bob的探測結(jié)果（初始碼）中，有多少起源于發(fā)射端（Alice端）光源的單光子脈沖，多少起源于發(fā)射端的多光子脈沖.基于這個至關重要的參數(shù)，就可以提煉出安全的最終碼，其安全性等同于只采用了由發(fā)射端單光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼而拋棄了多光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼.在安全性方面最后的效果就等同于使用了理想單光子源.

2003年，美國西北大學黃元瑛博士提出了在量子密碼理論實用化上具有革命性的Decoy-State思想［13］用以解決光子數(shù)分離攻擊.可是黃的結(jié)果尚不能立即實用于現(xiàn)有真實系統(tǒng)，清華大學王向斌教授于2005年的理論研究［14］表明，采用三強度隨機切換的誘騙信號量子密碼方案可以準確偵察出任何竊聽行為，包括所謂的光子數(shù)分離攻擊，并可立即實用于現(xiàn)有真實系統(tǒng)，其中包含通道噪聲，大損耗等.三強度誘騙信號方法可以讓合法用戶計算出至關重要的參量：多光子脈沖份額的上限值.有此上限值，結(jié)合前人理論結(jié)果，便可以獲得絕對安全的最終碼.由該理論給出的關鍵計算公式，誘騙態(tài)方法具有了立即的實用價值（見圖4）.這也使得量子密鑰分發(fā)有可能成為整個量子信息領域最先走入社會實用的分支.

誘騙態(tài)方法的首個實驗由清華大學和中國科技大學等單位的聯(lián)合團隊完成［28］，這也成為歷史上首次超過100 km的安全量子密鑰分發(fā).同一時期的實驗還有美國橡樹嶺國家實驗室與美國國家標準局團隊的合作實驗［29］、維也納大學等單位的實驗［30］等.此后，中國科技大學結(jié)合光開關技術(shù)，把誘騙態(tài)方法用于量子網(wǎng)絡，先后實現(xiàn)了3節(jié)點與5節(jié)點的量子網(wǎng)絡安全通信［4］.迄今為止，基于誘騙態(tài)方法的量子密鑰分發(fā)已經(jīng)至少獲得世界主要研究機構(gòu)近20個公開發(fā)表的在不同條件下的實驗證實.盡管誘騙態(tài)方法未必就是唯一方法［31；32］，由于其安全性和實用性，事實上，誘騙態(tài)方法已經(jīng)成為當前量子密碼走向?qū)嶋H應用的最重要方法.近年來，中國科學家們致力于參與這一主戰(zhàn)場的研究，在實驗與理論方面取得國際領先的廣泛成果.自清華—中科大聯(lián)合團隊2007年在國際上率先利用誘騙態(tài)手段實現(xiàn)了絕對安全距離超過一百公里的量子密鑰分發(fā)［28］以來，中國科技大學潘建偉小組又于2010年率先實現(xiàn)絕對安全距離達200 km的量子密鑰分發(fā)［3］，為目前國際上絕對安全量子密鑰分發(fā)最遠距離.他們還采用光開關技術(shù)，于2008年10月初完成了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的“光量子電話網(wǎng)”［4］（此前國內(nèi)外其他小組的量子密碼網(wǎng)絡的實驗因為沒有采用誘騙態(tài)方法而不安全）.清華大學王向斌小組則通過系統(tǒng)化的理論研究已經(jīng)證明即便光源強度有較大漲落誘騙態(tài)方法依然有效，給出了相關安全成碼的計算公式［7；33～38］.

3.2量子網(wǎng)絡通信

輔以光開關技術(shù)后，誘騙態(tài)方法還可用以實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡.由于沒有量子存儲器，這種網(wǎng)絡的量子密鑰分發(fā)距離不能超越點對點的量子密鑰分發(fā)距離.然而，網(wǎng)絡上的任何兩個用戶可以通過光開.關切換實現(xiàn)量子密鑰分發(fā).我國在2009年實現(xiàn)了3節(jié)點的鏈狀量子通信網(wǎng)絡［4］，為世界上首個基于誘騙態(tài)方案的量子語音通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時網(wǎng)絡通話和三方對講功能，演示了無條件安全的量子通信的可實用化.此成果很快被美國《Science》雜志以“量子電話”為題進行了報道，亦被歐洲物理學會《物理世界》以“中國誕生量子網(wǎng)絡”為題做了專題報道..隨后，又實現(xiàn)了5 COQC網(wǎng)絡以及Tokyo QKD network不同，這兩個量子通信網(wǎng)絡是基于誘騙態(tài)方案的成熟技術(shù)，追求并逐步實現(xiàn)滿足信息論定義下嚴格安全性要求的實用性，而不是歐洲、美國和日本同行所做的多種技術(shù)的混合展示.我國此類小規(guī)模的演示性網(wǎng)絡還有多節(jié)點的城域量子政務網(wǎng).

3.2.13 節(jié)點量子電話網(wǎng)

2008年10月，中國科學技術(shù)大學潘建偉組在合肥建成了一個基于可信中繼方式的3節(jié)點量子電話網(wǎng).采用相位編碼的誘騙態(tài)BB84方案.網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5示.

圖5中實線為光纖量子信道，虛線為經(jīng)典信道USTC和Binhu以及USTC和Xinglin之間各建成了一套誘騙態(tài)QKD.USTC的節(jié)點同時充當了可信中繼的角色.原則上，另兩個節(jié)點也可以充當可信中繼，進一步擴展網(wǎng)絡.

兩條鏈路的量子信道光纖長度都在20 km左右，最終成碼率均大于15 kbps，如表1所示.這個指標可以滿足基于“One Time Pad”的保密電話需求.

該網(wǎng)絡在國際上第一個實現(xiàn)了實時量子加密電話應用的網(wǎng)絡，時間上和SECOQC基本同步，性能指標也基本上相同.該網(wǎng)絡的建成是量子通信一次最生動的應用展示，使我國量子通信的應用水平一下子步入國際前列，在世界上激起了很大的反響.

3.2.25 節(jié)點量子電話網(wǎng)

2009年8月，中國科學技術(shù)大學潘建偉小組在合肥建成了一個星型5節(jié)點全通量子電話網(wǎng)絡.網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意如圖6.

圖6中所示1#光纖長10.047 km，2#光纖長8.447 km，3#光纖長9.904 km，4#光纖長8.417 km，5#光纖長60 km，如表2所示.

該網(wǎng)絡節(jié)點最短通信距離約為17 km.各節(jié)點安全成碼率如表3所示.

從表3中可見，該網(wǎng)絡在通信距離為20 km時，安全成碼率最低，仍可達120 kbps.因此該網(wǎng)絡可實現(xiàn)基于“One time pad”的安全保密電話功能.

該網(wǎng)絡第一次實現(xiàn)了任意節(jié)點間實時互聯(lián)互通的網(wǎng)絡控制功能，對于量子通信網(wǎng)絡組網(wǎng)技術(shù)的成熟具有重要意義.

3.3量子糾纏與量子通信

作為量子信息處理上最重要的資源之一，量子糾纏在量子保密通信上的應用價值主要有兩個方面：一是直接基于糾纏分發(fā)可以實現(xiàn)共享量子密鑰，二是基于量子中繼的遠程量子通信的基礎.傳統(tǒng)的量子糾纏態(tài)是指一種兩光子態(tài)的線性疊加態(tài).

由于兩個光子可以位于空間不同地點，糾纏光子對可以形成不同地域的非經(jīng)典關聯(lián).這種關聯(lián)性可以直接用于共享密鑰.借助于不同地點預先共享糾纏光子對，可以實現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸.這也是基于量子中繼的遠程量子通信的基礎技術(shù).量子糾纏對還可用于一類容錯量子保密通信中［38］.

3.3.1量子糾纏分發(fā)

所有基于糾纏的量子通信任務都需要通信雙方預先共享量子糾纏態(tài)（見圖7）.因此，糾纏光子對分發(fā)技術(shù)是一切后續(xù)目標的基礎.光子對在偏振空間的糾纏態(tài)由于檢測方式簡單和各種其他的易操作性，這種糾纏光子對具有特別重要的應用前景.近年來，這方面的實驗研究十分活躍.維也納小組于2003年完成了600 m距離的自由空間偏振糾纏分發(fā)［7］.后來有其他歐美小組在光纖中實現(xiàn)了1 km的量子糾纏分發(fā).我國科學家于2006年完成了13 km距離的自由空間偏振糾纏分發(fā)［8］.其糾纏源來自基于BBO晶體的II型參量下轉(zhuǎn)換.在經(jīng)過濾波片后每秒約產(chǎn)出10000個糾纏對，波長為702.2 nm，后光路采用了大型望遠鏡系統(tǒng)進行接收探測.此實驗結(jié)果一個標志性的意義在于首次證實光子糾纏對分發(fā)距離可以超過與大氣層等效衰減的距離.這對尚在論證中的以衛(wèi)星為中轉(zhuǎn)站的洲際量子密鑰分發(fā)的可行性無疑有著重要啟示［39］.除了自由空間外，糾纏光子對分發(fā)也在光纖中也成功實現(xiàn)了［40～44］.現(xiàn)今實用中的偏振糾纏對主要依靠下轉(zhuǎn)換方法產(chǎn)生.這是一種概率性糾纏源.研究表明，高品質(zhì)確定性糾纏源是有可能的［45］.

3.3.2量子態(tài)隱形傳輸

量子態(tài)隱形傳輸就是把量子信息從一個光子上轉(zhuǎn)移到遠處另外一個光子上而不必傳輸光子本身.實現(xiàn)這一任務需要空間兩處預先共享糾纏光子對，在實施隱形態(tài)傳輸時還需在一個端點進行Bell測量，之后依據(jù)此測量結(jié)果對另一個端點的偏振光子進行適當操作.

首個量子態(tài)隱形傳輸于1997年底在奧地利Zeilinger小組完成［6］.這項工作由Bouwmeester以及中國學者潘建偉等人基于下轉(zhuǎn)換光子對以及分光鏡的集體測量技術(shù)完成.這項工作引起了全世界的廣泛關注，也使得全世界對量子信息的研究熱潮空前高漲.之后，世界各國科學家對這一問題進行了更加廣泛和深入的研究.其中，中國學者們在世界各地都取得了多項領先實驗成果.他們于2003年首次在室內(nèi)實現(xiàn)了基本四光子的量子態(tài)隱形傳輸試驗［46］，使得量子態(tài)隱形傳輸能應用在更加廣泛的量子通信和量子計算中.2004年，在首次實現(xiàn)五光子糾纏的基礎上，又實現(xiàn)了一種更新穎的量子態(tài)隱形傳輸，即終端開放的量子態(tài)隱形傳輸［47］，為后繼分布式量子信息處理做出了貢獻.2006年，首次實現(xiàn)了兩光子復合系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸［48］.此前，所有的量子態(tài)隱形傳輸實驗都只能傳輸單個粒子的量子態(tài)，而實現(xiàn)復合系統(tǒng)量子態(tài)隱形傳輸一直是個巨大的實驗難題.2010年，中國學者們在中國本土更實現(xiàn)了舉世矚目跨越長城的16 km距離的量子態(tài)隱形傳輸［49］.到2012年，中國科學家們在青海湖地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了百公里量級的量子態(tài)隱形傳輸和量子密鑰分發(fā)［50］，這也是迄今為止真正量子糾纏分發(fā)的最遠距離.同1997年首個實驗的厘米量級相比，其進展在10多年前是根本不敢想象的.這一成果將對遠距離量子通信的實現(xiàn)產(chǎn)生深遠影響.

量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可直接用于糾纏轉(zhuǎn)換.糾纏轉(zhuǎn)換是量子中繼的基本操作單元，是可以用來克服遠距離量子通信中的光子數(shù)損耗的最終手段［51］.

如圖8所示，通過對光束4和2的Bell測量，在空間分離的光束1和3，形成糾纏光子對.1998年，潘建偉等人首次實現(xiàn)了量子糾纏交換，使得沒有經(jīng)過任何相互作用的兩個光子產(chǎn)生了量子糾纏［50；52］.我們?nèi)绻诂F(xiàn)有的遠距離自由空間的量子傳輸技術(shù)，實現(xiàn)同等距離量級的糾纏轉(zhuǎn)換，這將成為量子中繼的重要基礎.

3.3.3量子糾纏純化

糾纏是量子通信中的基本資源.然而，在糾纏分發(fā)過程中，由于通道噪聲，遠距離的共享糾纏光子對質(zhì)量會有下降，從而影響量子通信任務的實現(xiàn).糾纏對提純理論結(jié)論是，只要初始共享的糾纏對噪聲低于一定水平，就可以提煉出較少對的純糾纏對，對純糾纏對在兩端進行同一基矢測量即可獲得絕對安全的密碼.最初的量子糾纏純化方案需要用到受控非門，但精確的受控非門無法用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn).2001年，潘建偉等提出了無需受控非門的糾纏純化理論方案［9］，使得以現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)糾纏純化成為可能.2003年，他們利用該方案成功實現(xiàn)了對任意糾纏態(tài)的糾纏純化［10］（圖9），《Nature》雜志以封面論文的形式發(fā)表了該研究成果.

3.4量子中繼與遠程量子通信及遠程量子網(wǎng)絡通信

目前采用誘騙態(tài)方法的最遠實驗距離是200 km.盡管隨著檢測技術(shù)的提高，該距離還會進一步提高，但是，由于成碼率隨著距離呈指數(shù)衰減，而單量子態(tài)信號又不能在中途放大，因此，基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘騙態(tài)方法很難直接完成全球化量子通信任務.

遠程量子通信的最終實現(xiàn)將依賴于量子中繼［17；18］.其基本思想是：在空間建立許多站點.以量子糾纏分發(fā)技術(shù)先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術(shù)將糾纏對儲存.采用遠距離自由空間傳輸技術(shù)實現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增長量子糾纏對的空間分隔距離.如果預先將糾纏對布置在各相鄰站點，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實現(xiàn)次近鄰站點間的共享糾纏.繼續(xù)操作下去，原則上可以實現(xiàn)在很遠的兩個站點間建立共享糾纏.即實現(xiàn)遠距離量子通信.

量子中繼與經(jīng)典中繼（俗稱“可信中繼”）在安全性上是完全不一樣的.可信中繼是通過中繼把形成的密碼“接力”下去.它要求所有中繼站都是安全的.在通信雙方跨越的中繼站中只要有一個不安全，則通信內(nèi)容完全不安全.而量子中繼（圖10）的中繼站只轉(zhuǎn)換糾纏卻看不到密碼.即便所有中繼站都不安全，兩個通信終端間形成的密鑰及以此為基礎的通信仍然絕對安全.

如前文所述，實現(xiàn)量子中繼的幾項基本技術(shù)組件，量子糾纏分發(fā)，量子糾纏轉(zhuǎn)換已經(jīng)獲得10 km量級的實現(xiàn)，這已經(jīng)具備建立具有實際價值的量子中繼站的要求.要實現(xiàn)有意義的量子中繼，還需要能對量子糾纏態(tài)存儲.這項要求具有巨大挑戰(zhàn)性，實際上是量子中繼的最關鍵技術(shù).2007年，潘建偉小組提出了具有存儲功能并且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器的理論方案［53］；在此基礎上，2008年，該小組利用冷原子氣體在國際上首次實現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的量子中繼器［54］，建立了由300 m光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏.這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉(zhuǎn)化為光子糾纏，以進行進一步的傳輸和量子操作.《Nature》雜志發(fā)布了題為“量子推動”的新聞稿，稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”，并在網(wǎng)頁上發(fā)布了題為“量子密碼可以走遠了”的報道.同年底，該成果入選歐洲物理學會評選的“The best of 2008”.2009年，清華大學小組提出了改進的方案［55］，使得容錯量子中繼操作甚至無需校驗光.

3.5自由空間量子通信

自由空間量子通信是解決光子數(shù)信道損耗問題的另一有效途徑.研究表明，利用低軌衛(wèi)星和自由空間糾纏光子分發(fā)，通過“量子信號從地面上發(fā)射并穿透大氣層——衛(wèi)星接收到量子信號并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星——量子信號從該特定衛(wèi)星上再次穿透大氣層到達地球某個角落的指定接收地點”的方法（圖11），很有希望實現(xiàn)更遠距離乃至全球化的量子通信.由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實現(xiàn)糾纏光子在穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實現(xiàn)全球化的量子通信.2005年的13 km自由空間量子糾纏和量子密鑰分發(fā)［8］，和2010年的16 km遠距離自由空間量子態(tài)隱形傳輸實驗［49］，2013年實現(xiàn)的基于浮空平臺，利用了多項自動跟蹤掃描對準技術(shù)的量子密鑰分發(fā)實驗［50］以及之前的量子糾纏實驗［56；57］為星地量子通信打下了重要基礎.

4關鍵技術(shù)

現(xiàn)有的量子保密通信的物理實現(xiàn)方式大多基于單光子水平的弱相干光和糾纏光通信.主要硬件技術(shù)包括弱相干光源和糾纏光源，傳輸與檢測.在軟體方面還包括最終碼提煉（編碼）技術(shù).衡量系統(tǒng)先進性的主要指標是產(chǎn)生安全最終碼的成碼能力.系統(tǒng)每秒生成安全最終碼正比于系統(tǒng)重復率與每脈沖成碼率.而每脈沖成碼率除了受到誤碼率和損耗率的影響外，還取決于提煉（編碼）軟體技術(shù).可以從提高光源編碼質(zhì)量，通道傳輸，以及同步檢測，探測器效率等方面來降低誤碼率.此外，對于無存儲量子通信網(wǎng)絡，以光開關為代表的弱光傳輸路徑的有效控制也是關鍵技術(shù)之一.

基于量子中繼器的未來遠程量子網(wǎng)絡的技術(shù)基礎包括光存儲和兩光子態(tài)的聯(lián)合測量.目前這兩項技術(shù)都已經(jīng)在實驗室中獲得實現(xiàn)［6；10；46；54］.然而，量子關鍵器件的研發(fā)，對量子通信網(wǎng)絡實用化至關重要.其中，單光子探測系統(tǒng)是處于核心地位的量子關鍵器件，其參數(shù)指標直接制約著量子通信系統(tǒng)的性能，其性能提升對于量子通信系統(tǒng)起著基礎性的作用，目前較為前沿的有高速誘騙態(tài)光源技術(shù)、基于周期極化鈮酸鋰波導的上轉(zhuǎn)換探測器技術(shù)、高速近紅外單光子探測技術(shù)等.

5總結(jié)與展望

經(jīng)典保密通信的安全性未獲數(shù)學證明.借助量子特性可以實現(xiàn)嚴格數(shù)學證明的安全通信.雖然以弱相干態(tài)為源的現(xiàn)有系統(tǒng)［20；23～27］對其所報告的密鑰分發(fā)距離并不安全，但我們?nèi)匀挥衅渌k法用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)絕對安全的量子密碼系統(tǒng)，例如誘騙態(tài)方法［28～30］、糾纏對分發(fā)方法［8］等.就未來而言，理想單光子源或糾纏源技術(shù)的發(fā)展將會大大提高量子密碼系統(tǒng)的效率與實用性能.有了量子糾纏方法，提煉、轉(zhuǎn)換和存儲為技術(shù)基礎的量子中繼技術(shù)將會最終實現(xiàn)任意遠距離的安全量子通信及通信網(wǎng)絡.由于篇幅有限，本文中有關量子通信的實現(xiàn)部分，僅選擇了部分基于線性光學的方法.本文未涉及連續(xù)變量的量子通信［58～60］，例如連續(xù)變量量子糾纏［61～65］、連續(xù)變量量子隱型態(tài)傳輸［66～70］、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)等重要內(nèi)容［71～80］；也未包含在量子通信上有重要潛在應用價的量子存儲［81～83］、指示單光子源誘騙態(tài)方法［84；85］等內(nèi)容.

·高被引論文摘要·

被引頻次：69

量子信息研究進展

李傳鋒，郭光燦

量子信息論是經(jīng)典信息論與量子力學相結(jié)合的新興交叉學科.本文綜述了量子信息領域的研究進展.即包括了為人們所熟知的量子通信與量子計算領域，也包括了剛剛興起的但卻有巨大潛力的量子對策論等領域.本文以介紹量子信息論的基本理論框架為主，同時也介紹了量子信息領域的實驗研究進展.

量子信息；量子通信；量子計算；量子對策論

來源出版物：物理學進展，2000，20（4）： 407-431

被引頻次：53

量子通信與量子計算

蘇曉琴，郭光燦

摘要：量子信息學是物理學目前研究的熱門領域.它主要包括量子通信和量子計算.文章簡要介紹了量子通信和量子計算的理論框架，包括量子糾纏、量子不可克隆定理、量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子并行計算、Shor以及Grover的量子算法，并介紹該領域的研究進展.

關鍵詞：量子信息；量子通信；量子計算；量子糾纏；量子隱形傳態(tài)；量子密碼

來源出版物：量子電子學報，2004，21（6）： 706-718

被引頻次：51

量子信息引論

郭光燦

摘要：文章在簡述量子信息的發(fā)展背景之后，介紹了量子糾纏、量子計算、量子密碼、量子因特網(wǎng)、量子克隆、量子對策論等方面的內(nèi)容，既闡述了相關的基本概念，也論及最新的研究進展.

關鍵詞：量子信息；量子通信；量子計算；量子對策論

來源出版物：物理，2001，30（5）： 286-293

被引頻次：39

量子純態(tài)的糾纏度

石名俊，杜江峰，朱棟培

摘要：糾纏態(tài)在量子計算和量子通訊中起著重要作用.考慮了量子純態(tài)在時間反演變換下的行為以及相應的密度矩陣在Hilbert-Schmidt空間中的表示，并由此對糾纏度給出較為直觀的幾何解釋.

關鍵詞：純態(tài)；糾纏度；密度矩陣；量子通訊；反演變換；糾纏態(tài)；混合態(tài) 定域性；糾纏程度；量子態(tài)

來源出版物：物理學報，2000，49（5）： 825-829

被引頻次：36

一種量子局域網(wǎng)方案及其性能分析

朱暢華，裴昌幸，馬懷新，于曉飛

摘要：提出了一種基于糾纏交換和經(jīng)典交換的量子局域網(wǎng)方案.采用載波偵聽多址/碰撞檢測協(xié)議實現(xiàn)多址，由經(jīng)典交換機傳送建立和釋放信道等控制消息，通過糾纏交換建立收發(fā)端光子的糾纏，基于量子隱形傳態(tài)的原理傳遞量子信息.對該量子局域網(wǎng)進行性能分析，結(jié)果表明系統(tǒng)傳輸量子信息的吞吐率隨著通信雙方成功建立糾纏的概率、發(fā)端成功進行Bell態(tài)測量的概率和接收端成功檢測到發(fā)送量子比特的概率增大而顯著增加.

關鍵詞：量子通信；局域網(wǎng)；糾纏交換；載波偵聽多址/碰撞檢測

來源出版物：西安電子科技大學學報（自然科學版），2006，33（6）： 839-843

被引頻次：28

量子安全直接通信

龍桂魯，王川，李巖松，鄧富國

摘要：量子通信利用量子力學原理進行信息傳輸和處理，具有高安全、高容量等優(yōu)點.量子安全直接通信在量子信道中直接傳輸秘密信息，是一種新式的量子通信模式.自2000年提出以來，量子安全直接通信得到了迅速的發(fā)展.該文綜述量子安全直接通信的基本原理，描述幾個典型的量子安全直接通信協(xié)議.最后介紹量子安全直接通信的最新發(fā)展動態(tài)，展望量子安全直接通信的未來.

關鍵詞：量子安全直接通信；量子通信；兩步方案；量子一次便箋方案；網(wǎng)絡通信；QSDC

來源出版物：中國科學：物理學 力學 天文學，2011，41（4）： 332-342

被引頻次：28

二能級原子與相干態(tài)腔場相互作用過程中的糾纏交換

賴振講，楊志勇，白晉濤，等

摘要：用量子信息學的觀點，分析了發(fā)生在一個多個原子和腔場組成的系統(tǒng)中最大糾纏態(tài)在原子和多模類奇-偶相干態(tài)光場之間相互轉(zhuǎn)移的物理過程，該系統(tǒng)中原子和腔場之間由依賴于強度耦合的Jaynes-Cummings模型描述.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過控制原子與腔場相互作用的時間，并對原子的狀態(tài)進行測量，原子的最大糾纏態(tài)可以轉(zhuǎn)換為類奇-偶相干態(tài)光場的最大糾纏態(tài)，反之，糾纏的多模類奇-偶相干態(tài)光場也可以轉(zhuǎn)換為原子的最大糾纏態(tài).

關鍵詞：量子信息；腔量子電動力學；連續(xù)變量糾纏態(tài)；糾纏交換和傳遞

來源出版物：物理學報，2004，53（11）： 3733-3738

被引頻次：28

量子通信

薛鵬，郭光燦

摘要：量子通信是經(jīng)典通信和量子力學相結(jié)合的一門新興交叉學科.文章綜述了量子通信領域的研究進展，既包括人們所熟知的量子隱形傳態(tài)、密集編碼和量子密碼學，也包括剛剛興起但卻有巨大潛力的量子通信復雜度和遠程量子通信等領域.文章介紹了量子通信的基本理論框架，同時也涉及了這個領域最新的實驗研究的進展.

關鍵詞：量子通信；量子隱形傳態(tài)；量子密集編碼；量子密碼術(shù)；量子通信復雜度；遠程量子通信

來源出版物：物理，2002，31（6）： 385-391

被引頻次：22

基于糾纏的選擇自動重傳量子同步通信協(xié)議

周南潤，賓陽，王立軍

摘要：分析經(jīng)典選擇重傳自動請求重傳（automatic repeat-request，ARQ）協(xié)議之后，利用量子力學中糾纏態(tài)的非定域關聯(lián)性，提出了數(shù)據(jù)鏈路層的選擇重傳ARQ量子同步通信協(xié)議.該協(xié)議把鏈路分為準備階段和發(fā)送階段.在線路準備階段完成EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）關聯(lián)對的分發(fā)，建立量子信道；在發(fā)送階段完成數(shù)據(jù)幀和量子確認幀的傳送.從吞吐量和信道利用率等方面比較分析了幾種常見的數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議的性能.研究表明，該協(xié)議可以有效地提高數(shù)據(jù)鏈路層的最大吞吐量和信道利用率，改善選擇重傳ARQ協(xié)議的性能，在受時間瓶頸限制的通信中有著重要的應用價值.

關鍵詞：量子通信；量子糾纏；選擇自動重傳協(xié)議；同步通信

來源出版物：物理學報，2010，59（4）： 2193-2199

被引頻次：20

利用三粒子糾纏態(tài)建立量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡的探討

周小清，鄔云文

摘要：利用W態(tài)糾纏源可以產(chǎn)生三糾纏粒子，用這些相互糾纏的粒子作為量子信道，再輔以經(jīng)典信道傳送Bell基聯(lián)合測量信息和von Neumann測量信息，便可實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡.基于上述思想，研究了三糾纏粒子量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡的物理基礎，得到了基于三粒子W態(tài)下隱形傳態(tài)的幺正變換矩陣，設計了一個基于三糾纏粒子的量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡，給出了一個基于該網(wǎng)絡的通信方案.網(wǎng)絡中的各站點按所述方法便可實現(xiàn)任意站點間的量子通信.

關鍵詞：量子通信；量子隱形傳態(tài)；W態(tài)

來源出版物：物理學報，2007，56（4）： 1881-1887

被引頻次：2406

Experimental quantum teleportation

Bouwmeester； Pan，JW； Mattle，K； et al.

Abstract: 參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：1669

Unconditional quantum teleportation

Furusawa，A； Sorensen，JL； Braunstein，SL； et al.

Abstract: 參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：958

Teleportation of continuous quantum variables

Braunstein，SL； Kimble，HJ

Abstract: 參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：505

Deterministic quantum teleportation with atoms

Riebe，M； Haffner，H； Roos，CF； et al.

Abstract: 參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：479

Deterministic quantum teleportation of atomic qubits

Barrett，MD； Chiaverini，J； Schaetz，T； et al.

Abstract: Quantum teleportation（1）provides a means to transport quantum information efficiently from one location to another，without the physical transfer of the associated quantum-information carrier. This is achieved by using the non-local correlations of previously distributed，entangled quantum bits（qubits）. Teleportation is expected to play an integral role in quantum communication（2）and quantum computation（3）. Previous experimental demonstrations have been implemented with optical systems that used both discrete and continuous variables（4-9），and with liquid-state nuclear magnetic resonance（10）. Here we report unconditional teleportation（5）of massive particle qubits using atomic（Be-9（+））ions confined in a segmented ion trap，which aids individual qubit addressing. We achieve an average fidelity of 78 percent，which exceeds the fidelity of any protocol that does not use entanglement（11）. This demonstration is also important because it incorporates most of the techniques necessary for scalable quantum information processing in an ion-trap system（12，13）.

Keywords: podolsky-rosen channels； trapped ions； state； information； operations

來源出版物：Nature，2004，429（6993）： 737-739聯(lián)系郵箱：Wineland，DJ； djw@boulder.nist.gov

被引頻次：390

Quantum teleportation using three-particle entanglement

Karlsson，A； Bourennane，M

Abstract: We investigate the “teleportation” of a quantum state using three-particle entanglement to either one of two receivers in such a way that，generally，either one of the two，but only one，ran fully reconstruct the quantum state conditioned on the measurement outcome of the other. We furthermore delineate the similarities between this process and a quantum nondemolition measurement.

Keywords: theorem； cannot； logic； state

來源出版物：Physical Review A，1998，58（6）： 4394-4400聯(lián)系郵箱：Karlsson，A； andkar@ele.kth.se

被引頻次：368

Complete quantum teleportation using nuclear magnetic resonance

Nielsen，MA； Knill，E； Laflamme，R； et al.

Abstract: Quantum-mechanical systems have information processing capabilities（1，2）that are not possible with classical devices，One example is quantum teleportation（3），in which the quantum state of a system is transported from one location to another without moving through the intervening space. But although partial implementations（4，5）of quantum teleportation over macroscopic distances have beenachieved using optical systems，the final stage of the teleportation procedure-which allows the complete recovery of the original state-was omitted. Here we report an experimental implementation of full quantum teleportation over interatomic distances using liquid-state nuclear magnetic resonance. We achieve teleportation of the quantum state of a carbon nucleus to a hydrogen nucleus in molecules of trichloroethylene，by exploiting natural phase decoherence of the carbon nuclei. Such a teleportation scheme may be used as a subroutine in larger quantum computations，or for quantum communication.

Keywords: entanglement； state； computation； channels

來源出版物：Nature，1998，396（6706）： 52-55

被引頻次：312

Quantum teleportation of a polarization state with a complete Bell state measurement

Kim，YH； Kulik，SP； Shih，Y

Abstract: We report a quantum teleportation experiment in which nonlinear interactions an used for the Bell state measurements. The experimental results demonstrate the working principle of irreversibly teleporting an unknown arbitrary polarization state from one system to another distant system by disassembling into and then later reconstructing from purely classical information and nonclassical EPR correlations. The distinct feature of this experiment is that all four Bell states can be distinguished in the Bell state measurement. Teleportation of a polarization state can thus occur with certainty in principle.

來源出版物：Physical Review Letters，2001，86（7）： 1370-1373

被引頻次：280

Multipartite entanglement for continuous variables: A quantum teleportation network

van Loock，P； Braunstein，SL

Abstract: We show that one single-mode squeezed state distributed among N parties using linear optics suffices to produce a truly N-partite entangled state for any nonzero squeezing and arbitrarily many parties. From this N-partite entangled state，via quadrature measurements of N-2 modes，bipartite entanglement between any two of the N parties can be “distilled”，which enables quantum teleportation with an experimentally determinable fidelity better than could be achieved in any classical scheme.

來源出版物：Physical Review Letters，2000，84（15）： 3482-3485

被引頻次：224

Quantum teleportation between light and matter

Sherson，Jacob F； Krauter，Hanna； Olsson，Rasmus K； et al.

Abstract: Quantum teleportation（1）is an important ingredient in distributed quantum networks（2），and can also serve as an elementary operation in quantum computers（3）. Teleportation was first demonstrated as a transfer of a quantum state of light onto another light beam（4-6）； later developments used optical relays（7）and demonstrated entanglement swapping for continuous variables（8）. The teleportation of a quantum state between two single material particles（trapped ions）has now also been achieved（9，10）. Here we demonstrate teleportation between objects of a different nature-light and matter，which respectively represent ‘flying’ and ‘stationary’ media. A quantum state encoded in a light pulse is teleported onto a macroscopic object（an atomic ensemble containing 10（12）caesium atoms）. Deterministic teleportation is achieved for sets of coherent states with mean photon number（n）up to a few hundred. The fidelities are 0.58+/-0.02 for n=20 and 0.60+/-0.02 for n=55-higher than any classical state transfer can possibly achieve（11）. Besides being of fundamental interest，teleportation using a macroscopic atomic ensemble is relevant for the practical implementation of a quantum repeater（2）. An important factor for the implementation of quantum networks is the teleportation distance between transmitter and receiver； this is 0.5 metres in the present experiment. As our experiment uses propagating light to achieve the entanglement of light and atoms required for teleportation，the present approach should be scalable to longer distances.

Keywords: podolsky-rosen channels； single photons； state； operations； storage

來源出版物：Nature，2006，443（7111）： 557-560聯(lián)系郵箱：Polzik，ES； polzik@nbi.dk

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全光纖量子通信系統(tǒng)中的高速偏振控制方案

李申，馬海強，吳令安，等

摘要：偏振控制在光通信中是至關重要的技術(shù)，關系著通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和誤碼率.本文提出一種基于雙向Sagnac環(huán)工作方式的全光纖高速偏振控制方案，通過調(diào)節(jié)環(huán)中一個光纖電光相位調(diào)制器的相位差而精確控制光場偏振方向，并且實現(xiàn)了單個端口輸出各種偏振態(tài)，無需后續(xù)耦合操作.相位控制精度為10-3rad，最大消光比可達30 dB，工作速率可達2 GHz.由于本方案的精度、調(diào)制速度和穩(wěn)定性都很高，并采用了器件簡單、成本低廉的全光纖光路，易于集成，在量子保密通信等光通信領域中有很好的應用前景.

關鍵詞：光纖偏振控制器；Sagnac環(huán)；量子通信

來源出版物：物理學報，2013，62（8）： 084214聯(lián)系郵箱：吳令安，wula@aphy.iphy.ac.cn

量子關聯(lián)簡介

周濤，龍桂魯，傅雙雙，等

摘要：量子糾纏作為一種非局域的關聯(lián)，是一種重要的資源而被廣泛應用于量子信息處理.然而，最近的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可分態(tài)中也可以存在非經(jīng)典的關聯(lián)，量子糾纏只是量子關聯(lián)的一部分；非糾纏的量子關聯(lián)在一些量子通信和量子計算任務中扮演著重要的角色.文章簡要綜述了量子關聯(lián)的基本概念，描述了幾種常見的量子關聯(lián)度量，并介紹了量子關聯(lián)在量子信息處理中的作用以及一些最新動態(tài).

關鍵詞：量子糾纏；量子關聯(lián)；量子失協(xié)；量子信息處理

來源出版物：物理，2013，42（8）： 544-551聯(lián)系郵箱：龍桂魯，gllong@tsinghua.edu.cn

基于不同介質(zhì)間量子密鑰分發(fā)的研究

周飛，雍海林，李東東，等

摘要：文章主要解決了偏振編碼的光子在不同介質(zhì)間進行量子密鑰分發(fā)的問題，定量地分析了光子不同分量的不同透過率引起的誤碼率問題，并實際分析了空氣-水介質(zhì)間量子密鑰分發(fā)引起的誤碼率.進一步給出了可以消除這種非理想BB84協(xié)議的單光子補償方案，以及可以采用更加魯棒、實用性的抗界面非幺正噪聲的雙光子編碼方案，從而為未來實現(xiàn)全地域廣域量子通信邁出了重要的一步.

關鍵詞：量子密鑰分發(fā)；不同介質(zhì)；菲涅耳公式；誤碼率

來源出版物：物理學報，2014，63（14）： 140303聯(lián)系郵箱：彭承志，pcz@ustc.edu.cn

基于對稱W態(tài)和身份認證的安全量子通信協(xié)議

劉超，耿煥同，劉文杰

摘要：由于W態(tài)糾纏的強魯棒性，它被認為是更適用于量子信息處理和量子安全通信的信息載體.針對4粒子W態(tài)或3粒子非對稱W態(tài)量子直接通信效率低下或物理實現(xiàn)困難等缺陷，利用3粒子對稱W態(tài)和量子身份認證機制，提出了一種新的確定型安全量子通信協(xié)議.該協(xié)議由認證碼生成、量子態(tài)準備、量子態(tài)分發(fā)、安全檢測與身份認證和消息通信五階段組成，通信雙方只需進行兩粒子Bell基、單粒子Z基或X基測量，通信效率也有所提高，即1個3粒子W態(tài)傳輸1經(jīng)典比特信息.安全分析證明該協(xié)議能有效抵抗各類竊聽者Eve攻擊和偽裝攻擊，具有較好的安全特性.

關鍵詞：量子密碼；量子通信；確定型安全直接通信；對稱W態(tài)；身份認證

來源出版物：計算機應用，2014，34（2）： 438-441聯(lián)系郵箱：耿煥同，htgeng@nuist.edu.cn

基于四粒子GHZ態(tài)的可控量子雙向隱形傳態(tài)及安全性

胡鈺安，葉志清

摘要：提出一個基于四粒子GHZ糾纏態(tài)實現(xiàn)未知單粒子態(tài)的可控量子雙向傳態(tài)方案.通信雙方Alice和Bob以及控制方事先密享兩對四粒子GHZ糾纏態(tài)以構(gòu)建量子信道，根據(jù)糾纏粒子的不同分發(fā)方式，以及測量時所選擇的不同測量基，可以分別實現(xiàn)三方和四方參與的可控量子雙向傳態(tài).通信開始后，Alice和Bob分別對自己擁有的部分粒子作量子投影測量，若控制方同意雙方通信，則對自己擁有的粒子作測量并通過經(jīng)典信道公布測量結(jié)果.通信雙方根據(jù)控制方公布的測量結(jié)果對各自的某個粒子作相應的幺正變換，即可在己方的粒子上重建對方待傳的量子態(tài).由于第三方Charlie以及第四方Dennis的加入，整個雙向傳態(tài)的安全性大為提高.

關鍵詞：量子通信；可控量子隱形傳態(tài)；GHZ糾纏態(tài)；Bell基測量；安全性

來源出版物：光子學報，2014，43（8）： 0827001聯(lián)系郵箱：葉志清，yezhiqing2008@163.com

中尺度沙塵暴對量子衛(wèi)星通信信道的影響及性能仿真

聶敏，尚鵬鋼，楊光，等

摘要：中尺度沙塵暴是美國內(nèi)華達州、我國北部及中東國家等地沙塵天氣的常見形式.為了研究中尺度沙塵暴對量子衛(wèi)星通信信道的影響，首先分析了沙塵暴的物理特性，根據(jù)中尺度沙塵暴的擴散模型，提出了中尺度沙塵特性與量子糾纏度的關系；然后仿真了沙塵特性對量子衛(wèi)星信道參數(shù)的影響.結(jié)果表明，如果沙塵擴散時間為12 h，中尺度沙塵粒子半徑分別為1和25 μm，則量子衛(wèi)星信道的糾纏度依次為0.6和0.4，信道的利用率分別為0.9和0.8，信道容量分別為0.95和0.8.由此可見，量子信道的各種參數(shù)與沙塵暴的特性密切相關.因此，為了提高量子衛(wèi)星通信的可靠性，應根據(jù)沙塵災變程度，自適應調(diào)整衛(wèi)星信道的各種參數(shù).

關鍵詞：量子通信；中尺度沙塵暴；量子糾纏

來源出版物：物理學報，2014，63（24）： 240303聯(lián)系郵箱：尚鵬鋼，shang_penggang@163.com

基于穩(wěn)定子碼的在噪聲信道的量子安全直接通信方案研究

安輝耀，于濤，劉敦偉，等

摘要：量子安全直接通信是繼量子密鑰分配后，量子通信領域又一重要的研究領域，它要求通信雙方在預先不需要建立共享密鑰的情況下就可以實現(xiàn)消息的保密傳輸.不同于屬于非確定通信的量子密鑰分配，量子直接通信受信道噪聲的影響更大，需要更好的檢錯糾錯能力.本文根據(jù)穩(wěn)定子碼糾錯理論和GHZ三態(tài)糾纏粒子的特性提出了一套基于穩(wěn)定子碼理論的量子直接通信方案，使其在保持無條件安全性的基礎上可以對單量子的相位和比特錯誤進行糾錯檢錯，大大降低了信道的整個通信過程的量子比特錯誤率.

關鍵詞：量子直接通信；穩(wěn)定子碼；噪聲信道

來源出版物：量子光學學報，2014，20（3）： 187-191聯(lián)系郵箱：于濤，tayu@pku.edu.cn

量子穩(wěn)定子碼的碼字糾纏

陳小余

摘要：量子計算和量子通信是量子信息科學的兩個重要組成部分.量子算法通常用到實系數(shù)等權(quán)重純態(tài)，其中重要的一類是圖態(tài)，圖態(tài)的糾纏已經(jīng)得到系統(tǒng)的研究.量子通信中不可避免地要用量子糾錯碼，其中最廣泛使用的是與圖態(tài)緊密相關的量子穩(wěn)定子碼，可以看作是由圖態(tài)與經(jīng)典編碼兩個要素構(gòu)成的.本文將論證量子編碼復雜度與量子碼字糾纏的關系.為研究量子碼字的糾纏，將證明幾何測度、對數(shù)魯棒糾纏和相對熵糾纏等糾纏測度對于量子穩(wěn)定子碼字而言是相等的，糾纏的上下界可由量子編碼的生成元確定.用經(jīng)典編碼可以構(gòu)造一類量子碼，稱為CSS碼.其中最常用的是對偶包含法.對于CSS對偶包含碼的碼字，證明它的糾纏等于其經(jīng)典生成元的個數(shù).本文給出Gottesman碼以及相關碼的糾纏公式，還發(fā)展了迭代算法用來數(shù)值計算糾纏量.

關鍵詞：量子編碼；多組分糾纏；量子測量

來源出版物：中國科學：物理學 力學 天文學，2015，45（3）： 030001聯(lián)系郵箱：陳小余，xychen@zjgsu.edu.cn

Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system

Steffen，L； Salathe，Y； Oppliger，M； et al.

Abstract: Engineered macroscopic quantum systems based on superconducting electronic circuits are attractive for experimentally exploring diverse questions in quantum information science（1-3）. At the current state of the art，quantum bits（qubits）are fabricated，initialized，controlled，read out and coupled to each other in simple circuits. This enables the realization of basic logic gates（4），the creation of complex entangled states（5，6）and the demonstration of algorithms（7）or error correction（8）. Using different variants of low-noise parametric amplifiers（9），dispersive quantum non-demolition single-shot readout of single-qubit states with high fidelity has enabled continuous（10）and discrete（11）feedback control of single qubits. Here we realize full deterministic quantum teleportation with feed-forward in a chip-based superconducting circuit architecture（12-14）. We use a set of two parametric amplifiers for both joint two-qubit and individual qubit single-shot readout，combined with flexible real-time digital electronics. Our device uses a crossed quantum bustechnology that allows us to create complex networks with arbitrary connecting topology in a planar architecture. The deterministic teleportation process succeeds with order unit probability for any input state，as we prepare maximally entangled two-qubit states as a resource and distinguish all Bell states in a single two-qubit measurement with high efficiency and high fidelity. We teleport quantum states between two macroscopic systems separated by 6 mm at a rate of 104s-1，exceeding other reported implementations. The low transmission loss of superconducting waveguides is likely to enable the range of this and other schemes to be extended to significantly larger distances，enabling tests of non-locality and the realization of elements for quantum communication at microwave frequencies. The demonstrated feed-forward may also find application in error correction schemes.

Keywords: superconducting circuits； qubits； entanglement； computation； information

來源出版物：Nature，2013，500（7462）： 319-322聯(lián)系郵箱：Steffen，L； lsteffen@phys.ethz.ch

Deterministic quantum teleportation between distant atomic objects

Krauter，H ； Salart，D； Muschik，CA； et al.

Abstract: Quantum teleportation is a key ingredient in quantum networks（1，2）and one of the building blocks for quantum computation（3，4）. Teleportation between distant material objects using light as the quantum-information carrier has been a particularly exciting goal. Here we propose and demonstrate the deterministic continuous-variable teleportation between distant material objects. The objects are macroscopic atomic ensembles at room temperature. Entanglement required for teleportation is distributed by light propagating from one ensemble to the other. We demonstrate that the experimental fidelity of the quantum teleportation is higher than that achievable by any classical process. Furthermore，we demonstrate the benefits of deterministic teleportation by teleporting a sequence of spin states evolving in time from one distant object onto another. The teleportation protocol is applicable to other important systems，such as mechanical oscillators coupled to light or cold spin ensembles coupled to microwaves.

Keywords: light； qubits； communication； operations； ensembles； matter

來源出版物：Nature Physics，2013，9（7）： 400-404聯(lián)系郵箱：Polzik，ES； polzik@nbi.dk

Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique

Takeda，Shuntaro； Mizuta，Takahiro； Fuwa，Maria； et al.

Abstract: Quantum teleportation（1）allows for the transfer of arbitrary unknown quantum states from a sender to a spatially distant receiver，provided that the two parties share an entangled state and can communicate classically. It is the essence of many sophisticated protocols for quantum communication and computation（2-5）. Photons are an optimal choice for carrying information in the form of 'flying qubits'，but the teleportation of photonic quantum bits（6-11）（qubits）has been limited by experimental inefficiencies and restrictions. Main disadvantages include the fundamentally probabilistic nature of linear-optics Bell measurements（12），as well as the need either to destroy the teleported qubit or attenuate the input qubit when the detectors do not resolve photon numbers（13）. Here we experimentally realize fully deterministic quantum teleportation of photonic qubits without post-selection. The key step is to make use of a hybrid technique involving continuous-variable teleportation（14-16）of a discrete-variable，photonic qubit. When the receiver’s feedforward gain is optimally tuned，the continuous-variable teleporter acts as a pure loss channel（17，18），and the input dual-rail-encoded qubit，based on a single photon，represents a quantum error detection code against photon loss（19）and hence remains completely intact for most teleportation events. This allows for a faithful qubit transfer even with imperfect continuous-variable entangled states： for four qubits the overall transfer fidelities range from 0.79 to 0.82 and all of them exceed the classical limit of teleportation. Furthermore，even for a relatively low level of the entanglement，qubits are teleported much more efficiently than in previous experiments，albeit post-selectively（taking into account only the qubit subspaces），and with a fidelity comparable to the previously reported values.

Keywords: podolsky-rosen channels； experimental realization； state； computation； operations； qubits

來源出版物：Nature，2013，500（7462）： 315-318聯(lián)系郵箱：Furusawa，A； akiraf@ap.t.u-tokyo.ac.jp

Unconditional quantum teleportation between distant solid-state quantum bits

Pfaff，W； Hensen，BJ； Bernien，H； et al.

Abstract: Realizing robust quantum information transfer between long-lived qubit registers is a key challenge for quantum information science and technology. Here we demonstrate unconditional teleportation of arbitrary quantum states between diamond spin qubits separated by 3 meters. We prepare the teleporter through photon-mediated heralded entanglement between two distant electron spins and subsequently encode the source qubit in a single nuclear spin. By realizing a fully deterministic Bell-state measurement combined with real-time feed-forward，quantum teleportation is achieved upon each attempt with an average state fidelity exceeding the classical limit. These results establish diamond spin qubits as a prime candidate for the realization of quantum networks for quantum communication and network-based quantum computing.

Keywords: spin； qubits； information； register； diamond

來源出版物：Science，2014，345（6196）： 532-535聯(lián)系郵箱：Hanson，R； r.hanson@tudelft.nl

Relativistic Quantum Teleportation with Superconducting Circuits

Friis，N； Lee，AR； Truong，K； et al.

Abstract: We study the effects of relativistic motion on quantum teleportation and propose a realizable experiment where our results can be tested. We compute bounds on the optimal fidelity of teleportation when one of the observers undergoes nonuniform motion for a finite time. The upper bound to the optimal fidelity is degraded due to the observer’s motion. However，we discuss how this degradation can be corrected. These effects are observable for experimental parameters that are within reach of cutting-edge superconducting technology.

來源出版物：Physical Review Letters，2013，110（11）文獻號： 113602

Near-deterministic quantum teleportation and resource-efficient quantum computation using linear optics and hybrid qubits

Lee，Seung-Woo； Jeong，Hyunseok

Abstract: We propose a scheme to realize deterministic quantum teleportation using linear optics and hybrid qubits. It enables one to efficiently perform teleportation and universal linear-optical gate operations in a simple and near-deterministic manner using all-optical hybrid entanglement as off-line resources. Our analysis shows that our approach outperforms previous ones when considering both the resource requirements and fault-tolerance limits.

來源出版物：Physical Review A，2013，87（2）文獻號： 022326聯(lián)系郵箱：Jeong，Hyunseok； h.jeong37@gmail.com

Quantum teleportation from a propagating photon to a solid-state spin qubit

Gao，WB； Fallahi，P； Togan，E； et al.

Abstract: A quantum interface between a propagating photon used to transmit quantum information and a long-lived qubit used for storage is of central interest in quantum information science. A method for implementing such an interface between dissimilar qubits is quantum teleportation. Here we experimentally demonstrate transfer of quantum information carried by a photon to a semiconductor spin using quantum teleportation. In our experiment，a single photon in a superposition state is generated using resonant excitation of a neutral dot. To teleport this photonic qubit，we generate an entangled spin-photon state in a second dot located 5m away and interfere the photons from the two dots in a Hong-Ou-Mandel set-up. Thanks to an unprecedented degree of photon-indistinguishability，a coincidence detection at the output of the interferometer heralds successful teleportation，which we verify by measuring the resulting spin state after prolonging its coherence time by optical spin-echo.

Keywords: single-photon； dot spin； entanglement distribution； electron spins； atomic qubits； computation； semiconductor； information；feedforward； ensembles

來源出版物：Nature Communications，2013，4文獻號： 2744聯(lián)系郵箱：Imamoglu，A； imamoglu@phys.ethz.ch

Quantum teleportation of spin coherent states: beyond continuous variables teleportation

Pyrkov，Alexey N； Byrnes，Tim

Abstract: We introduce a quantum teleportation scheme that transfers a spin coherent state between two locations using entanglement. In the scheme an unknown spin coherent state lying on the equator of the Bloch sphere，such as realized in a coherent two-component Bose-Einstein condensate，is teleported onto a distant spin coherent state using only elementary operations and measurements. The scheme works in the regime beyond the standard continuous variables approximation based on the Holstein-Primakoff transformation. We analyze the error of the protocol with the number of particles N in the spin coherent state under decoherence and find that it scales favorably with N. The simplicity of the operations involved and the robustness under decoherence should make the protocol suitable under realistic experimental conditions.

Keywords: quantum teleportation； spin coherent state； Bose-Einstein condensate； quantum entanglement； macroscopic qubit

來源出版物：New Journal of Physics，2014，16文獻號： 073038聯(lián)系郵箱：Pyrkov，Alexey N； pyrkov@icp.ac.ru

Quantum Teleportation of Dynamics and Effective Interactions between Remote Systems

Muschik，Christine A； Hammerer，Klemens； Polzik，Eugene S； et al.

Abstract: Most protocols for quantum information processing consist of a series of quantum gates，which are applied sequentially. In contrast，interactions between matter and fields，for example，as well as measurements such as homodyne detection of light are typically continuous in time. We show how the ability to perform quantum operations continuously and deterministically can be leveraged for inducing nonlocal dynamics between two separate parties. We introduce a scheme for the engineering of an interaction between two remote systems and present a protocol that induces a dynamics in one of the parties that is controlled by the other one. Both schemes apply to continuous variable systems，run continuously in time，and are based on real-time feedback.

Keywords: atomic ensembles； light； communication； entanglement； information； operations； interface

來源出版物：Physical Review Letters，2013，111（2）文獻號：020501

Quantum teleportation with nonclassical correlated states in noninertial frames

Mehri-Dehnavi，Hossein； Darabad，Robabeh Rahimi； Mohammadzadeh，Hosein； et al.

Abstract: Quantum teleportation is studied in noninertial frame，for fermionic case，when Alice and Bob share a general nonclassical correlated state. In noninertial frames，two fidelities of teleportation are given. It is found that the average fidelity of teleportation from a separable and nonclassical correlated state is increasing with the amount of nonclassical correlation of the state. However，for any particular nonclassical correlated state，the fidelity of teleportation decreases by increasing the acceleration.

Keywords: Quantum teleportation； Noninertial frames； Nonclassical correlation

來源出版物：Quantum Information Processing，2015，14（3）： 1025-1034聯(lián)系郵箱：Darabad，RR； rrahimid@uwaterloo.ca

Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon

WANG Xi-lin； CAI Xin-dong； SU Zu-en； et al.

Abstract: Quantum teleportation’ provides a ‘disembodied’ way to transfer quantum states from one object to another at a distant location，assisted by previously shared entangled states and a classical communication channel. As well as being of fundamental interest，teleportation has been recognized as an important element in long-distance quantum communication’，distributed quantum networks’ and measurementbased quantum computation. There have been numerous demonstrations of teleportation in different physical systems such as photons’s，atoms’，ionsio，H，electrons’ and superconducting circuits’3. All the previous experiments were limited to the teleportation of one degree of freedom only. However，a single quantum particle can naturally possess various degrees of freedom internal and external and with coherent coupling among them. A fundamental open challenge is to teleport multiple degrees of freedom simultaneously，which is necessary to describe a quantum particle fully and，therefore，to teleport it intact. Here we demonstrate quantum teleportation of the composite quantum states of a single photon encoded in both spin and orbital angular momentum. We use photon pairs entangled in both degrees of freedom（that is，hyper-entangled）as the quantum channel for teleportation，and develop a method to project and discriminate hyper-entangled Bell states by exploiting probabilistic quantum non-demolition measurement，which can be extended to more degrees of freedom. We verify the teleportation for both spin-orbit product states and hybrid entangled states，and achieve a teleportation fidelity ranging from 0.57 to 0.68，above the classical limit. Our work is a step towards the teleportation of more complex quantum systems，and demonstrates an increase in our technical control of scalable quantum technologies.

Keywords: entanglement； state； qubits； communication； computation； operations； bits

來源出版物：Nature，2015，518（7540）： 516-519聯(lián)系郵箱：Lu，CY； cylu@ustc.edu.cn

Complete hyperentangled-Bell-state analysis for quantum communication

SHENG Yu-Bo； DENG Fu-guo； LONG Gui-lu

Abstract：It is impossible to unambiguously distinguish the four Bell states in polarization，resorting to linear optical elements only. Recently，the hyperentangled Bell state，the simultaneous entanglement in more than one degree of freedom，has been used to assist in the complete Bell-state analysis of the four Bell states. However，if the additional degree of freedom is qubitlike，one can only distinguish 7 from the group of 16 states. Here we present a way to distinguish the hyperentangled Bell states completely with the help of cross-Kerr nonlinearity. Also，we discuss its application in the quantum teleportation of a particle in an unknown state in two different degrees of freedom and in the entanglement swapping of hyperentangled states. These applications will increase the channel capacity of long-distance quantum communication.

Keywords: Podolsky-Rosen Channels； Entanglement； Teleportation； Cryptography； Nonlinearity； Repeaters； Photons； Theorem

來源出版物：Physical Review A，2010，82（3）文獻號： 032318聯(lián)系郵箱：Long，GL； gllong@tsinghua.edu.cn

編輯：衛(wèi)夏雯

Teleportation of quantum states

Vaidman，L

The recent result of Bennett et al. ［Phys. Rev. Lett. 70，1895（1993）］ of teleportation of an unknown quantum state is obtained in the framework of nonlocal measurements proposed by Aharonov and Albert ［Phys. Rev. D 21，3316（1980）； 24，359（1981）］. The latter method is generalized to the teleportation of a quantum state of a system with continuous variables.

Bell-State analysis； entanglement； inequalities； information； channels； theorem

*摘編自《中國科學：信息科學》2014年44卷3期：296～311頁