量子信息科学在中国科学技术大学的兴起和发展 第2页
3．1 实现从北京到天津125km商用光纤的量子密钥分配［9］
量子密码是量子信息领域中最可能得到实际应用的技术.美国人将“量子加密”称为“改变人类未来”的新技术.量子密码原理已在实验室内演示成功.目前国际学术界正在研究走向实用进程中的关键科学和技术问题.光纤量子密钥分配研究中最关键的问题是：现在广泛研制的不等臂MZ干涉仪虽然安全但稳定性很差，无法在商用光纤上运行，而改进后的返回式光学系统虽然解决了稳定性问题，但其安全性却出现了漏洞.我们解决了这个稳定性和安全性统一的难题.在实验上研究了光纤系统不稳定性的物理根源，在理论上给出稳定性条件，进而设计出满足稳定性条件的迈克逊-法拉第干涉仪，在实验室内实现150km的量子密钥分配，在北京与天津之间的125km商用光纤上实现了量子密钥分配和加密图像传送.这是迄今国际上报道的最远距离实用光纤量子密钥分配.
3．2 局域量子保密通信网在北京测试成功
我们利用自己发明的量子网络路由器和单向传输、抗干扰的F-M量子密钥分配系统，于2007年3月份在北京完成了国际上第一个多（4个）节点、无中转、可同时、任意互通的量子保密通信网的测试性运行，取得了很好的通信效果.这次测试是在中国网通公司的商用通信光纤线路上实现的，节点间距离分别为43，32，40，32km，对应的误码率码率分别为7.7%,4.1%,6.6%,2.4%.测试显示，系统在没有人为干预的条件下，可以长期稳定运行.
3．3 无共享参考系的量子通信的实验实现［10］
在1km的光纤中,利用偏振和时间两个模式均有纠缠的光子对实验，实现了BB84量子密钥传输的一种更抗干扰的改良方案.该量子密码不受光纤扭曲、旋转或者光纤本身缺陷的影响，通信双方也不需要精确的同步时间，从而大大降低了通信的复杂度.无论外部环境如何变化，光纤通信双方总有办法取得需要的密码.此外，我们还给出了量子通信方案的绝对安全的理论论证，避免了现有光纤量子通信的安全性隐患.《Phys. Rev. Lett.》审稿人认为，该成果是“非常出色的”，“具有特殊的价值”.
4 量子纠缠源的制备和操控
量子纠缠是量子信息领域中最重要的资源.当两个或多个粒子处于纠缠态时，对其中的一个粒子进行操作，其他的纠缠粒子不管位于何处，其量子态会立即发生相应的变化.因此，彼此纠缠的粒子之间便由这种基于量子非局域性的内禀通道构成一个量子网络，它可以实现量子通信（即传送量子信息），也可以实施分布式的量子计算.自从量子信息作为新兴学科诞生以来，量子纠缠便成为国际学术界研究的焦点.我校研制成功高亮度的光子纠缠源：连续纠缠光子源，每秒12.8对，对比度为95%；脉冲纠缠光子源，每秒1.4万对,对比度87%,在国际上处于领先水平.
4．1 量子信息传输的奇特现象
两个纠缠的光子构成一条量子通道，通过对各个光子的操作，可实现许多新奇的信息传输功能.1997年，在实验上实现了所谓“量子隐形传态”，即将未知量子信息传送到远处的纠缠光子上而原先携带该量子信息的物理载体却留在原处不被传送.我们进一步研究了量子信息传输的许多有趣现象：（1）在实验上实现了单光子量子态的远程操纵，即局域地操作其中一个纠缠光子，可将远处的另一个纠缠光子制备在任意态上［11］；（2）局域地对一个纠缠光子实施任意相位旋转操作，可将这个操作传送到远处，旋加在另一个光子态上［12］；（3）在实验上演示了当纠缠通道被损坏时，可通过单光子局域操作来实现纠缠纯化，而不必通过非局域的操作［13］.
4．2 多光子物理学的研究进展［14］
多光子量子态具有许多重要性质，例如N个光子态的干涉所呈现的德布罗意波长减少到1/N，这可使相位测量达到海森伯极限的精度，用于光学刻蚀，其精度可提高到1/N.光子数越来越多的量子态，蕴含着越丰富的量子现象，但制备也更为困难.我们在理论上提出一种所谓“NOON态投影测量方法”，可用来制备和识别多光子量子态，在实验上演示了四光子和辣光子德布罗意波长，并将著名的两光子洪-区-曼德尔（Hong-Qu-Mandel）干涉推广到多光子场合，在实验上证实了这种方法是多光子物理中重要而有效的实验方法.
4．3 五光子纠缠态的实验实现［15］
首次在实验上实现了五光子纠缠态，并演示利用这个纠缠态可实现终端开放的量子隐形传态，即未知量子态被隐形传到终端的三个光子纠缠态上，然而按照三个粒子的合作可被制备在其中任一个粒子上.利用这个五光子纠缠态，在实验上还演示了量子纠缠浓缩和纠缠交换，为量子中继的实现研究迈开重要一步.
4．4 辣光子图态纠缠的实验实现［16］
该工作通过对多光子操纵技术的进一步发展，从实验上实现了基于光子比特“焊接”技术的量子计算机测试平台，成功地制备出国际上纠缠光子数量多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态.该项成果以封面标题形式发表在2007年2月1日出版的英国《Nature》杂志子刊《Nature Physics》上，审稿人评价其是“光学量子计算领域至今最先进实验工作”和“一个出色的成就，为量子计算、量子纠错和量子力学基本问题的研究铺平了道路”.欧洲物理学会称赞该工作“为量子计算机的物理实现迈进了重要一步”.
5 量子隐形传态的研究进展
5．1 两个量子位复合系统量子量子态隐形传输的实验实现［17］
在国际上首次成功地实现了复合系统量子态隐形传输，首次成功地实现了辣光子纠缠态的操纵，这为实用化的量子信息研究开创了新起点.对于容错量子计算、量子中继、普适量子纠错等重要研究方向具有极其深远的影响，《Nature》网站专门发布了“Press releases”,并在《Nature》杂志“研究亮点”栏目中对该工作进行专门报导，称赞该实验成果是在“在大尺度量子通信研究中取得长足进展”.该工作入选“2006年度中国十大科技进展新闻”.
5．2 利用光子和原子量子比特的内嵌存储的量子隐形传输的实验实现［18］
内嵌存储的量子比特隐形传输是实现大尺度量子通信以及基于测量的量子计算的关键.尽管量子态的隐形传输以及量子比特的存储已经在原则上被证明，然而实现内嵌存储的量子比特的隐形传态在实验上仍旧很困难.
首次通过将光量子比特的态隐形传输至原子的比特上，从实验上实现了内嵌存储的量子比特隐形传输，在实验中，一个未知的极化光子态通过7m的距离隐形传输至一个原子比特，并成功地存储了8μs，该原子态可以被转换成光量子态,以用于进一步的量子信息处理.从光子态到原子态的隐形传输并且内嵌了可读存储的实现，使得有效的、可升级的量子网络有望在不久的将来被实现.
6 量子信息处理器的研究进展
量子计算的最终实现取决于能否研制成功物理上可扩展的量子信息处理器,用它来有效地存储和处理量子信息.目前的研究水平离此目标还相差甚远,但科学家满怀着坚定信心正在向着这个目标步步逼进.我们在基于固态物理、量子光学和核磁共振量子计算物理实现的基础研究方面取得一系列理论和实验的重要进展.
6．1 在理论上提出一种基于腔QED的新型量子信息处理器方案［19］
通过对腔的泄漏光子进行单光子探测，来实现不同腔中原子之间的纠缠，该方案具有制备效率高、抗噪能力强、易于寻址等优点.《Phys.Rev.Lett.》的审稿人赞道：“在寻求随心所欲的产生量子态的方案中，这可能是一篇里程碑的文章”.另外，利用高Q腔单个原子与腔外部单个原子的相互作用，设计了一种可行性很强的基于光子的量子计算方案，它以原子作为中介来实现光子与光子之间的受控相位门操作，该方案按目前的技术水平和抗噪能力是可以实现的，学术界对此予以很高评价.
6．2 提出固态容错量子计算新方案［20］
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