中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、李力等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和美國麻省理工學(xué)院的科研人員合作，利用線性光學(xué)系統(tǒng)，在20公里的光纖線路中實(shí)現(xiàn)了量子指紋識別（Quantum Fingerprinting），突破了經(jīng)典極限，首次在信道容量上實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)典通信的超越。該成果近日發(fā)表在國際物理學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上 [Physical Review Letters 116, 240502 (2016)]。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體應(yīng)用的快速發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，光通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量正在以指數(shù)級的速度迅速增長。考慮到有限的光纖線路資源，傳遞最少的信息來進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理和提高單根光纖信道容量是目前光通信學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的核心問題。量子通信除了可以提供無條件安全的信息傳輸手段外，也可以通過量子通信復(fù)雜度（Quantum Communication Complexity）研究為提高信道容量提供有效解決途徑。量子通信復(fù)雜度研究利用量子力學(xué)的疊加原理，可以用量子信道提供更高的信道容量，其中一個(gè)重要的應(yīng)用就是量子指紋識別。指紋識別主要應(yīng)用于遙遠(yuǎn)雙方進(jìn)行信息比對，假設(shè)需要比對的信息量為N個(gè)比特，經(jīng)典方法所需要傳送的最小信息量為比特，而量子指紋識別可以將需要傳送的信息量降低為logN比特，以指數(shù)級數(shù)提高信道容量。
量子指紋識別理論于2001年提出，但受限于各種技術(shù)條件，國際上以往的實(shí)驗(yàn)都未能突破經(jīng)典極限。潘建偉小組搭建了具有主動(dòng)相位補(bǔ)償?shù)?0公里長雙Sagnac干涉儀，結(jié)合中科院上海微系統(tǒng)所超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室研制的超低噪聲超導(dǎo)納米線單光子探測器，最終實(shí)現(xiàn)了傳輸信息量比經(jīng)典極限低84%的量子指紋識別。該實(shí)驗(yàn)室不但是世界上首次突破經(jīng)典極限的量子指紋識別，也是首次在實(shí)驗(yàn)中觀測到量子信道容量相比經(jīng)典信道的優(yōu)越性。
審稿人對這一工作的重要性給予高度認(rèn)可，稱贊這一實(shí)驗(yàn)為“提供了量子密鑰分發(fā)之外的量子信息的重要應(yīng)用”( “It is important to advance towards such implementations that provide a provable advantage thanks to the use of quantum resources, for protocols other than QKD.”)，歐洲物理學(xué)會(huì)下屬網(wǎng)站《物理世界》在文章未發(fā)表之前就該工作進(jìn)行了報(bào)道，報(bào)道援引國際著名量子通信專家Norbert Luetkenhaus的評論，“這項(xiàng)研究將開啟其他很多(量子通信)方面的應(yīng)用。”
該研究工作得到了中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中科院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心、中科院-阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、基金委、科技部、教育部等部門的支持。
