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來(lái)源：環(huán)球科學(xué) 研究團隊通過(guò)中科大校園與合肥軟件園之間的光纖，實(shí)現了遠距離的量子糾纏。 近些年來(lái)，量子通信因其無(wú)與倫比的安全性備受關(guān)注，但在技術(shù)層面，遠距離的傳輸卻面臨大量挑戰。其中之一，便是減少光纖中的信號損耗，以提升傳輸距離。在一項發(fā)表于《自然》雜志的研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊首次讓由50千米光纖相連的兩個(gè)量子存儲器實(shí)現糾纏，不僅大幅刷新了此前的紀錄，也為構建基于量子中繼的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎。 根據量子力學(xué)理論，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠，都可以保持一種“幽靈般的超距作用”——兩個(gè)粒子的狀態(tài)密切相關(guān)，只要測定其中一個(gè)粒子，就能獲知另一個(gè)粒子在此刻的狀態(tài)。這樣的性質(zhì)在通信領(lǐng)域有著(zhù)誘人的應用場(chǎng)景——作為最安全的通信手段，一旦有黑客試圖對粒子進(jìn)行測量，量子態(tài)就會(huì )不可避免地改變。 盡管量子糾纏理論上不存在距離限制，但在實(shí)際技術(shù)層面，實(shí)現遠距離的傳輸卻面臨眾多挑戰。 量子中繼器 2017年，潘建偉團隊曾利用“墨子號”量子通信衛星，在相距1200千米的青海德令哈基站和云南麗江高美古基站之間，實(shí)現糾纏態(tài)光子的傳輸，創(chuàng )下量子糾纏傳輸距離的紀錄。不過(guò)，通過(guò)衛星進(jìn)行的糾纏態(tài)光子傳輸損耗很大：墨子號每秒發(fā)射的600萬(wàn)對糾纏態(tài)光子中，只有一對可以被地面基站接收到。而且，衛星傳輸更適用于大尺度的覆蓋，而城市間的量子通信，則需要基于地面的量子通信網(wǎng)絡(luò )。 在此之前，包括潘建偉團隊在內的研究團隊已經(jīng)通過(guò)光纖構建出城域量子通信網(wǎng)絡(luò )，但由于光纖中的損耗不可避免，這樣直接點(diǎn)對點(diǎn)的量子通信方式，距離受到限制。因此，科學(xué)家逐漸意識到，要實(shí)現更遠距離的量子通信，就必須在途中建立“驛站”。 這樣的“驛站”，就是量子中繼器。量子中繼器的核心思想，是將遠距離點(diǎn)對點(diǎn)傳輸轉換為分段傳輸。在兩個(gè)節點(diǎn)分別產(chǎn)生原子與光子的糾纏后，光子通過(guò)光纖分別傳輸至中間節點(diǎn)，也就是量子中繼器中。這時(shí)，在量子中繼器中對兩端的光子進(jìn)行干涉，再進(jìn)行分發(fā)，就實(shí)現了兩個(gè)相距甚遠的節點(diǎn)的量子糾纏。因此，這種思路有望大幅拓展安全通信距離。 “衛星傳輸更適用于廣域大尺度覆蓋，以及無(wú)法鋪設光纖的場(chǎng)合，”最新論文的第一作者包小輝教授在接受《環(huán)球科學(xué)》采訪(fǎng)時(shí)介紹道，“而基于量子存儲的量子中繼主要適用于光纖地面網(wǎng)絡(luò )，用來(lái)實(shí)現城域及城際覆蓋�！� 然而，實(shí)現這一想法的難度頗高。此前，最遠的光纖量子中繼僅有1.3千米。這是2015年時(shí)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員取得的突破性進(jìn)展。他們在校園內相距1.3千米的地方，首次驗證了實(shí)現遠距離量子糾纏的可行性。 對于這項研究，1.3千米的光纖傳輸已是極限；但對于量子通信來(lái)說(shuō)，還遠遠不夠。 降低光子損耗 限制糾纏光子傳輸距離的一個(gè)重要因素，就是光子在光纖中的嚴重損耗。如果經(jīng)過(guò)50千米的光纖傳輸，信號將衰減至最初的十億億分之一。這樣的損耗程度，顯然是量子通信無(wú)法接受的。 為了減少光子在光纖中的損耗，在這項最新研究中，潘建偉團隊采用了一系列巧妙的手段。例如，存儲器的光波原本在795納米的近紅外光，而研究團隊將光波長(cháng)轉換成1342納米的通信波段，大幅降低了光纖中的光子損耗程度。這時(shí)，在50千米的光纖中，相較于波長(cháng)轉換之前，衰減程度減少了足足16個(gè)數量級。 此外，研究者使用了一種環(huán)形腔增強技術(shù)來(lái)制備糾纏原子和光子，從而將量子光源的亮度提高了一個(gè)數量級，大幅提升傳輸效率。 在中科大的實(shí)驗室中，研究團隊開(kāi)始了這項實(shí)驗。他們在實(shí)驗室內設置了兩個(gè)量子存儲器，每個(gè)存儲器中含有銣原子團。利用這項裝置，分別在兩個(gè)存儲器中建立起光子與原子團的糾纏。用激光照向銣原子團后，產(chǎn)生的光子與原子團形成糾纏。隨后，光子分別沿著(zhù)兩條光纖傳輸，并在11千米外的合肥軟件園中的中繼器里匯合，進(jìn)行干涉測量。這時(shí)，借助這個(gè)中間環(huán)節，就實(shí)現了兩個(gè)存儲器中銣原子團的量子糾纏。 
實(shí)驗裝置圖 50千米的糾纏 研究團隊首先利用雙光子干涉，實(shí)現了22千米的糾纏光子傳輸。這一結果已經(jīng)大幅刷新了此前的紀錄。在此基礎上，研究團隊更近一步，利用難度更高的單光子干涉進(jìn)行量子糾纏傳輸。相較于雙光子方案，“單光子方案的實(shí)驗難度更高一些，因為它要求光子相位同步，”包小輝表示，“但由于只需要探測單個(gè)光子，因此單光子干涉的糾纏速率更高，理論上允許的通信距離更遠�！� 為實(shí)現遠程單光子干涉，團隊設計了雙重相位鎖定方案，并成功實(shí)現50千米的量子傳輸。相較于2015年的研究，除了傳輸距離的提升，糾纏概率、量子鏈路效率、糾纏時(shí)間等指標也都得到了顯著(zhù)提升。包小輝指出，糾纏概率的變化尤為關(guān)鍵：相較于2015年的研究，這項最新研究的糾纏概率高了近5個(gè)數量級，大幅提升了量子糾纏分發(fā)的能力。 這項研究通過(guò)一系列全新的設計，有效解決了光纖傳輸中信號衰減的難題，為構建基于量子中繼的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎。 不過(guò)，這項實(shí)驗距離最終的目標仍有相當的距離。2015年研究的領(lǐng)導者Ronald Hanson在接受《科學(xué)》雜志采訪(fǎng)時(shí)表示，這項實(shí)驗是發(fā)展量子中繼器的重要一步，但距離真正的中繼器，仍有大量提升空間。例如目前的銣原子團還無(wú)法維持長(cháng)時(shí)間的量子態(tài)，以滿(mǎn)足多鏈路的需求。此外，這項實(shí)驗中兩個(gè)量子存儲器的實(shí)際距離只有不到1米，只是通過(guò)長(cháng)距離的光纖連接。將兩個(gè)節點(diǎn)的距離拉遠后，實(shí)驗難度將進(jìn)一步增加。接下來(lái)，研究團隊將實(shí)現真正遠距離分開(kāi)的雙節點(diǎn)實(shí)驗。 包小輝表示：“量子互聯(lián)網(wǎng)按發(fā)展程度可分為量子密鑰網(wǎng)絡(luò )、量子存儲網(wǎng)絡(luò )、量子計算網(wǎng)絡(luò )三個(gè)階段。將這一工作拓展至真正遠距離的雙節點(diǎn)實(shí)驗后，將有望以此為基礎開(kāi)展量子中繼等研究，并構建量子存儲網(wǎng)絡(luò )的原型系統�！� |
