近日，南方科技大学量子科学与工程研究院首席科学家、美国电气和电子工程师协会 会士（IEEE Fellow）Masahito Hayashi课题组及其合作者在量子信道资源理论及其在通信的应用上取得重要进展，相关成果以“Application of the Resource Theory of Channels to Communication Scenarios”为题发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters, IF:9.227）上。

量子资源理论为研究量子物理学中的各种现象提供了通用且有效的理论框架。然而该理论的一个缺陷是它无法解决量子信息论中的实际问题。比如说目前量子信道资源理论的研究如火如荼，但是我们尚不清楚其实用价值。

另一方面，量子纠缠辅助的量子信道通信是经久不衰的研究方向，其目标是刻画纠缠如何辅助通信以及纠缠的消耗效率。量子纠缠作为量子信息论中最宝贵的资源，已证明可以用来增强量子通信，但是它的复杂结构导致量化这种增强程度变得十分困难。这就自然引出以下问题：我们能否利用量子资源理论来研究量子纠缠是如何辅助量子通信的？该问题的答案具有两方面积极意义：它既表明量子资源理论可以用来解决实际问题，也加深我们对纠缠辅助量子通信的认识。

Masahito Hayashi课题组及其合作者朝这个方向迈出坚实的一步。他们提出通信资源理论，将量子资源理论成功地应用到量子通信理论中。利用这个理论，他们漂亮地刻画量子信道作为通信媒介的两个基本性质：纠缠辅助的量子信道容量和量子信道模拟代价，揭示利用量子资源理论来研究量子通信理论的可行性。更具体而言，利用量子资源理论中的量子状态区分定理，研究人员证明纠缠辅助的量子信道经典通信满足一个非常重要的性质：强逆定理，从而界定在量子纠缠辅助的情况下，量子信道传输经典信息的物理极限（量子信道容量）。另一方面，在将量子信道模拟问题等价描述为资源转换问题后，利用量子资源理论中的资源转换定理，研究人员精确刻画物理上实现一个量子信道的所需要代价（量子信道模拟）。

研究人员进一步证明所提出的通信资源理论和不可超光速通信资源辅助的量子通信有着密切联系，这里不可超光速通信资源是相对论体系下所允许的最基本的、比纠缠更强的关联资源。这种联系表明该理论框架适用于研究量子通信中的最基本约束，使得我们对量子通信的认识更加深刻。

麻省理工学院（MIT）博士生Ryuji Takagi为论文第一作者。Ryuji Takagi、量子院博士后王琨以及Masahito Hayashi为论文通讯作者。南方科技大学是论文第二通讯单位。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.120502