中国科学技术大学实现量子通信百公里突破

‌一、自由空间高精度时间频率传递：百公里级稳定传输‌

‌技术突破‌
中国科学技术大学潘建伟团队联合多家单位，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次实现百公里级自由空间高精度时间频率传递。

‌时间传递稳定度‌：达到飞秒量级（1秒的千万亿分之一）。

‌频率传递稳定度‌：万秒稳定度优于4×10⁻¹⁹，系统相对偏差为6.3×10⁻²⁰±3.4×10⁻¹⁹。

‌链路损耗容忍度‌：系统可容忍最大链路损耗高达89dB，远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值（约78dB）。

‌科学意义‌

验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，为构建广域光频标网络奠定基础。

推动精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发展。

若全球尺度时频传递稳定度达到10⁻¹⁸量级，将推动国际计量大会重新定义“秒”。

‌应用前景‌

高轨空间光频标和时频传递稳定度理论上可达10⁻²¹量级，有望在引力波探测、暗物质搜寻等基础研究中发挥关键作用。

‌二、量子密集编码信道容量：四维纠缠态实现2.09比特/光子‌

‌技术突破‌
中国科学技术大学郭光灿院士团队首次利用四维纠缠态实现量子密集编码，达到2.09的信道容量，创造国际最高水平。

1996年：光学系统中首次实现，信道容量1.13。

2008年：利用超纠缠提升至1.63。

2017年：基于完全贝尔基测量提升至1.665。

2025年：四维纠缠态突破理论极限2，达2.09。

‌信道容量定义‌：发送一个光子所能传输的比特数。

‌历史进展‌：

‌科学意义‌

展示高维纠缠在量子通信中的优势，为高维纠缠研究奠定基础。

提升量子保密通信的效率和安全性。

‌三、技术对比与战略意义‌

‌自由空间时频传递 vs 传统微波技术‌

传统微波卫星时频传递稳定度仅10⁻¹⁶量级，无法满足高精度需求。

基于光频梳的自由空间时频传递稳定度达10⁻¹⁹量级，是未来发展方向。

‌四维纠缠态 vs 二维纠缠‌

二维纠缠信道容量理论极限为2，四维纠缠突破至2.09，显著提升传输效率。

‌中国量子通信的全球领先地位‌

结合“京沪干线”光纤网络与卫星系统，构建天地一体化量子通信网。

为金融、医疗、国家安全等领域提供信息安全防线，助力可信数字生态建设。

四维纠缠态的具体实现方法

基于绝热捷径技术的快速制备方案

‌理论依据‌：

利用Lewis-Riesenfeld不变量理论，结合量子芝诺动力学，构建绝热捷径。

‌实验设计‌：

将两个原子分别捕获在两个空间分离的光学腔中，并用一根光纤连接。

通过数值模拟分析实验参数和耗散对方案的影响，确保实验的可行性和稳定性。

‌具体实现‌：

‌方案一‌：基于Lewis-Riesenfeld不变量理论，提出快速制备两原子四维纠缠态的方案。该方案通过绝热捷径技术，实现了对两原子四维纠缠态的快速制备。

‌方案二‌：基于超绝热迭代技术，同样制备两原子四维纠缠态。该方案中的反向导热哈密顿与有效哈密顿具有相同的形式，且不需要初始态与目标态之间的耦合，因此具有很高的实验可行性。

后选择制备法

‌基本原理‌：

通过后选择的方式，将低维的纠缠态增加为高维的纠缠态。这种方法不直接产生高维纠缠态，而是通过增加系统的纠缠维度来实现。

‌实验步骤‌：

‌步骤一‌：制备一个二维的偏振纠缠源。

‌步骤二‌：使用分束器（如BD）将H光和V光的分量分成四路。

‌步骤三‌：将四路光分别通过22.5度的波片进行操作。

‌步骤四‌：调节光程，使得所有的光同时到达中间的偏振分束器（PBS）产生不可区分性。

‌步骤五‌：观察PBS两边的符合计数，完成四维纠缠的制备。

‌优缺点‌：

‌优点‌：可以将一个两维的系统变成高维的系统，有利于后续的操作和传输。

‌缺点‌：这是一种后选择的纠缠源，其效率会减少一半。同时，由于需要出现HOM干涉，某些量子信息任务可能无法完成。