中國科學(xué)團(tuán)隊(duì)爆發(fā)了：首次實(shí)現(xiàn)50千米的量子存儲器糾纏

 根據(jù)量子力學(xué)理論，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，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)域有著誘人的應(yīng)用場景——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)就會不可避免地改變。

近些年來，量子通信因其無與倫比的安全性備受關(guān)注，但在技術(shù)層面，遠(yuǎn)距離的傳輸卻面臨大量挑戰(zhàn)。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(xiàng)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(tuán)隊(duì)首次讓由50千米光纖相連的兩個(gè)量子存儲器實(shí)現(xiàn)糾纏，不僅大幅刷新了此前的紀(jì)錄，也為構(gòu)建基于量子中繼的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。

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(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸卻面臨眾多挑戰(zhàn)。

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(yán)重?fù)p耗。如果經(jīng)過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，顯然是量子通信無法接受的。

為了減少光子在光纖中的損耗，在這項(xiàng)最新研究中，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)將光波長轉(zhuǎn)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，相較于波長轉(zhuǎn)換之前，衰減程度減少了足足16個(gè)數(shù)量級。

此外，研究者使用了一種環(huán)形腔增強(qiáng)技術(shù)來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(shù)量級，大幅提升傳輸效率。

在中科大的實(shí)驗(yàn)室中，研究團(tuán)隊(duì)開始了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)量子存儲器，每個(gè)存儲器中含有銣原子團(tuán)。利用這項(xiàng)裝置，分別在兩個(gè)存儲器中建立起光子與原子團(tuán)的糾纏。用激光照向銣原子團(tuán)后，產(chǎn)生的光子與原子團(tuán)形成糾纏。隨后，光子分別沿著兩條光纖傳輸，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(jié)，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)存儲器中銣原子團(tuán)的量子糾纏。

實(shí)驗(yàn)裝置圖 　　50千米的糾纏

研究團(tuán)隊(duì)首先利用雙光子干涉，實(shí)現(xiàn)了22千米的糾纏光子傳輸。這一結(jié)果已經(jīng)大幅刷新了此前的紀(jì)錄。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)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(yàn)難度更高一些，因?yàn)樗蠊庾酉辔煌剑?rdquo;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(yuǎn)。”

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單光子干涉，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了雙重相位鎖定方案，并成功實(shí)現(xiàn)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(biāo)也都得到了顯著提升。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(xiàng)最新研究的糾纏概率高了近5個(gè)數(shù)量級，大幅提升了量子糾纏分發(fā)的能力。

這項(xiàng)研究通過一系列全新的設(shè)計(jì)，有效解決了光纖傳輸中信號衰減的難題，為構(gòu)建基于量子中繼的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。

不過，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)距離最終的目標(biāo)仍有相當(dāng)?shù)木嚯x。2015年研究的領(lǐng)導(dǎo)者Ronald Hanson在接受《科學(xué)》雜志采訪時(shí)表示，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(tuán)還無法維持長時(shí)間的量子態(tài)，以滿足多鏈路的需求。

此外，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)量子存儲器的實(shí)際距離只有不到1米，只是通過長距離的光纖連接。將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離拉遠(yuǎn)后，實(shí)驗(yàn)難度將進(jìn)一步增加。接下來，研究團(tuán)隊(duì)將實(shí)現(xiàn)真正遠(yuǎn)距離分開的雙節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

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(jì)算網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段。將這一工作拓展至真正遠(yuǎn)距離的雙節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)后，將有望以此為基礎(chǔ)開展量子中繼等研究，并構(gòu)建量子存儲網(wǎng)絡(luò)的原型系統(tǒng)。”

量子中繼器

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)曾利用“墨子號”量子通信衛(wèi)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(xiàn)糾纏態(tài)光子的傳輸，創(chuàng)下量子糾纏傳輸距離的紀(jì)錄。不過，通過衛(wèi)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(wèi)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(tuán)隊(duì)在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過光纖構(gòu)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(xiàn)更遠(yuǎn)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(yuǎn)距離點(diǎn)對點(diǎn)傳輸轉(zhuǎn)換為分段傳輸。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生原子與光子的糾纏后，光子通過光纖分別傳輸至中間節(jié)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(xiàn)了兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的節(jié)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(wèi)星傳輸更適用于廣域大尺度覆蓋，以及無法鋪設(shè)光纖的場合，”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)，用來實(shí)現(xiàn)城域及城際覆蓋。”

然而，實(shí)現(xiàn)這一想法的難度頗高。此前，最遠(yuǎn)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(nèi)相距1.3千米的地方，首次驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏的可行性。

對于這項(xiàng)研究，1.3千米的光纖傳輸已是極限;但對于量子通信來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。