東芝創(chuàng)造光纖量子通信最新記錄：600公里！

近年來(lái)，隨著量子力學(xué)領(lǐng)域的不斷突破，量子計(jì)算受到了越來(lái)越多的關(guān)注。量子計(jì)算作為一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，它與現(xiàn)有計(jì)算模式完全不同。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，信息的基本單位是位(Bit)。所有這些計(jì)算機(jī)所做的事情都可以被分解成0s和1s的模式，以及0s和1s的簡(jiǎn)單操作。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由比特構(gòu)成的方式類似，量子計(jì)算機(jī)由量子比特(quantum bits)或量子位(qubits)構(gòu)成，一個(gè)量子比特對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)(state)。但是，比特的狀態(tài)是一個(gè)數(shù)字(0或1)，而量子比特的狀態(tài)是一個(gè)向量。更具體地說(shuō)，量子位的狀態(tài)是二維向量空間中的向量。這個(gè)向量空間稱為狀態(tài)空間。

經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制的數(shù)字電子方式進(jìn)行運(yùn)算，而二進(jìn)制總是處于0或1的確定狀態(tài)。于是，量子計(jì)算借助量子力學(xué)的疊加特性，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算狀態(tài)的疊加。即不僅包含0和1，還包含0和1同時(shí)存在的疊加態(tài)(superposition)。

此外，加上量子糾纏的特性，量子計(jì)算相較于當(dāng)前使用最強(qiáng)算法的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，理論上將在一些具體問(wèn)題上有更快的處理速度和更強(qiáng)的處理能力。而利用量子力學(xué)的反直覺(jué)特性制造出的量子計(jì)算機(jī)，可以達(dá)成任何機(jī)器都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算壯舉。

如今，量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始展示其真正實(shí)力，諸如Google和IBM之類的計(jì)算巨頭，連同眾多小規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，開(kāi)始了量子硬件的建造與完善。去年，國(guó)產(chǎn)九章量子計(jì)算機(jī)在200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)普通超算需要25億年才能完成的計(jì)算。

北京時(shí)間2021年6月14日訊，隨著5G商用網(wǎng)絡(luò)掀開(kāi)了數(shù)字通信的變革，量子通信逐漸成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)，東芝公司作為量子通信的頭部企業(yè)，通過(guò)不斷努力的研究，成功在長(zhǎng)度超過(guò)600公里的光纖上進(jìn)行量子通信的演示，打破了長(zhǎng)距離量子通信的記錄。

據(jù)了解得知，量子通信的出現(xiàn)是為了打造一個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”，由遠(yuǎn)程量子通信鏈路連接起來(lái)的量子計(jì)算機(jī)的全球網(wǎng)絡(luò)，可以在云計(jì)算中實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的超快速解決、更精確的全球定時(shí)系統(tǒng)以及全球范圍內(nèi)高度安全的通信。

目前，“量子互聯(lián)網(wǎng)”最關(guān)鍵的卡脖子技術(shù)是如何通過(guò)長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行量子比特的高效傳輸，而今東芝通過(guò)引入一種新的“雙頻帶”穩(wěn)定技術(shù)，演示了記錄量子通信距離的方法。通過(guò)發(fā)送兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光參考信號(hào)，以最小化長(zhǎng)光纖上的相位波動(dòng)——第一波長(zhǎng)用于抵消快速變化的波動(dòng)，而與光學(xué)量子位相同波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)用于相位的精細(xì)調(diào)整。

值得注意的是，東芝的這一最新進(jìn)展擴(kuò)展了量子鏈路的最大跨度，中間無(wú)需使用可信中間節(jié)點(diǎn)就能將國(guó)家和大洲城市連接起來(lái)，從而與衛(wèi)星建立一個(gè)全球量子安全通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，之前拒絕華為并宣布拆除華為的英國(guó)方面，英國(guó)電信(BT)已經(jīng)和東芝方面在2020年安裝了英國(guó)首個(gè)工業(yè)量子安全網(wǎng)絡(luò)。

量子計(jì)算有望在未來(lái)幫助研究人員解決一些極其復(fù)雜的問(wèn)題，但在此之前，東芝研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了 600 公里(373 英里)的光纖量子通信實(shí)驗(yàn)。據(jù)悉，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的信息，只用到“0”或“1”這種單比特編碼。但是在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特卻允許疊加態(tài)的存在，從而極大地?cái)U(kuò)展了潛在的計(jì)算能力，意味著它們能夠解決超出常規(guī)計(jì)算機(jī)能力范圍的問(wèn)題。

比如去年，國(guó)產(chǎn)九章量子計(jì)算機(jī)在 200 秒內(nèi)完成了一項(xiàng)普通超算需要 25 億年才能完成的計(jì)算。不過(guò)量子計(jì)算的更大挑戰(zhàn)，在于量子比特對(duì)于環(huán)境干擾相當(dāng)敏感。就算是極其微小溫度變化或波動(dòng)，都可能對(duì)數(shù)據(jù)有效性造成影響，意味著長(zhǎng)距離的量子信息傳輸也相當(dāng)困難。

構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是如何通過(guò)長(zhǎng)光纖傳輸量子比特的問(wèn)題。環(huán)境條件的微小變化(例如溫度波動(dòng))會(huì)導(dǎo)致光纖膨脹和收縮，從而擾亂脆弱的量子位，這些量子位被編碼為光纖中弱光脈沖的相位延遲。

現(xiàn)在，東芝通過(guò)引入一種新穎的“雙波段”穩(wěn)定技術(shù)，證明了量子通信的記錄距離。這會(huì)發(fā)送兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光參考信號(hào)，以最大程度地減少長(zhǎng)光纖上的相位波動(dòng)。第一個(gè)波長(zhǎng)用于抵消快速變化的波動(dòng)，而第二個(gè)波長(zhǎng)與光量子位的波長(zhǎng)相同，用于相位的微調(diào)。在部署這些新技術(shù)后，東芝發(fā)現(xiàn)即使在通過(guò) 100 公里的光纖傳播后，也可以將量子信號(hào)的光學(xué)相位保持在波長(zhǎng)的幾分之一以內(nèi)，精度可達(dá) 10 納米。如果沒(méi)有實(shí)時(shí)消除這些波動(dòng)，光纖會(huì)隨著溫度變化而膨脹和收縮，擾亂量子信息。

近年來(lái)，國(guó)際科學(xué)界夢(mèng)想著構(gòu)建全球性的量子通信網(wǎng)，但一大技術(shù)難題是量子極易衰減，在光纖中的傳輸距離只有百公里量級(jí)。為此，科學(xué)家們提出量子中繼的思想，即將遠(yuǎn)距離傳輸劃分為多個(gè)短距離，中間用量子中繼連接，解決信號(hào)衰減問(wèn)題。

量子存儲(chǔ)器是量子中繼的核心器件?！爸按蠹矣玫氖前l(fā)射型量子存儲(chǔ)器，要么一次只能傳輸1個(gè)量子，效率低;要么一次傳輸多個(gè)量子，但精確率低?！崩顐麂h教授說(shuō)，他們團(tuán)隊(duì)一直致力于研究吸收型量子存儲(chǔ)器，經(jīng)過(guò)3年多努力，近期在國(guó)際上首次成功使用吸收型量子存儲(chǔ)器，演示了多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路。

6月2日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。審稿人給予高度評(píng)價(jià)：“這個(gè)工作是對(duì)量子中繼器基本鏈路的一個(gè)非常直接和清晰的演示……這是一項(xiàng)重要成就，將為接下來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)?！?

據(jù)悉，這項(xiàng)研究為建設(shè)高速率、大尺度的量子網(wǎng)絡(luò)，提供了全新實(shí)現(xiàn)方案?！跋乱徊?，我們將致力于提高存儲(chǔ)效率和糾纏光源質(zhì)量，努力實(shí)現(xiàn)超越光纖傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器。”李傳鋒說(shuō)。