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[導讀] 根據量子力學理論,兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠,都可以保持一種“幽靈般的超距作用”——兩個粒子的狀態密切相關,只要測定其中一個粒子,就能獲知另一個粒子在此刻的狀態。這樣的性質在通信領域有著誘人的應用場景——作為最安全的通信手段,一旦有黑客試圖對粒子進行測量,量子態就會不可避免地改變。

 根據量子力學理論,兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠,都可以保持一種“幽靈般的超距作用”——兩個粒子的狀態密切相關,只要測定其中一個粒子,就能獲知另一個粒子在此刻的狀態。這樣的性質在通信領域有著誘人的應用場景——作為最安全的通信手段,一旦有黑客試圖對粒子進行測量,量子態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注,但在技術層面,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。

在一項發表于《自然》雜志的研究中,中國科學技術大學潘建偉團隊首次讓由50千米光纖相連的兩個量子存儲器實現糾纏,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網奠定了重要基礎。

盡管量子糾纏理論上不存在距離限制,但在實際技術層面,實現遠距離的傳輸卻面臨眾多挑戰。

降低光子損耗

限制糾纏光子傳輸距離的一個重要因素,就是光子在光纖中的嚴重損耗。如果經過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,在50千米的光纖中,相較于波長轉換之前,衰減程度減少了足足16個數量級。

此外,研究者使用了一種環形腔增強技術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數量級,大幅提升傳輸效率。

在中科大的實驗室中,研究團隊開始了這項實驗。他們在實驗室內設置了兩個量子存儲器,每個存儲器中含有銣原子團。利用這項裝置,分別在兩個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,產生的光子與原子團形成糾纏。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,進行干涉測量。這時,借助這個中間環節,就實現了兩個存儲器中銣原子團的量子糾纏。

 

實驗裝置圖

 

實驗裝置圖   50千米的糾纏

研究團隊首先利用雙光子干涉,實現了22千米的糾纏光子傳輸。這一結果已經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行量子糾纏傳輸。相較于雙光子方案,“單光子方案的實驗難度更高一些,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、糾纏時間等指標也都得到了顯著提升。包小輝指出,糾纏概率的變化尤為關鍵:相較于2015年的研究,這項最新研究的糾纏概率高了近5個數量級,大幅提升了量子糾纏分發的能力。

這項研究通過一系列全新的設計,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網奠定了重要基礎。

不過,這項實驗距離最終的目標仍有相當的距離。2015年研究的領導者Ronald Hanson在接受《科學》雜志采訪時表示,這項實驗是發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法維持長時間的量子態,以滿足多鏈路的需求。

此外,這項實驗中兩個量子存儲器的實際距離只有不到1米,只是通過長距離的光纖連接。將兩個節點的距離拉遠后,實驗難度將進一步增加。接下來,研究團隊將實現真正遠距離分開的雙節點實驗。

包小輝表示:“量子互聯網按發展程度可分為量子密鑰網絡、量子存儲網絡、量子計算網絡三個階段。將這一工作拓展至真正遠距離的雙節點實驗后,將有望以此為基礎開展量子中繼等研究,并構建量子存儲網絡的原型系統。”

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,實現糾纏態光子的傳輸,創下量子糾纏傳輸距離的紀錄。不過,通過衛星進行的糾纏態光子傳輸損耗很大:墨子號每秒發射的600萬對糾纏態光子中,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絡。

在此之前,包括潘建偉團隊在內的研究團隊已經通過光纖構建出城域量子通信網絡,但由于光纖中的損耗不可避免,這樣直接點對點的量子通信方式,距離受到限制。因此,科學家逐漸意識到,要實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,是將遠距離點對點傳輸轉換為分段傳輸。在兩個節點分別產生原子與光子的糾纏后,光子通過光纖分別傳輸至中間節點,也就是量子中繼器中。這時,在量子中繼器中對兩端的光子進行干涉,再進行分發,就實現了兩個相距甚遠的節點的量子糾纏。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,以及無法鋪設光纖的場合,”最新論文的第一作者包小輝教授在接受《環球科學》采訪時介紹道,“而基于量子存儲的量子中繼主要適用于光纖地面網絡,用來實現城域及城際覆蓋。”

然而,實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,荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員取得的突破性進展。他們在校園內相距1.3千米的地方,首次驗證了實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;但對于量子通信來說,還遠遠不夠。

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