中科大科研團隊再登《Nature》封面，從此量子通訊不受距離限制？

這是在地面上實(shí)現遠距離量子網(wǎng)絡(luò )的一項重大成就。

量子通信是當下熱門(mén)的科研話(huà)題之一。

但由于光子的衰減，量子通信會(huì )被距離所限制，這些光子就正如神話(huà)故事里的“牛郎”和“織女”一樣，被分隔在光纖兩端。

如果說(shuō)牛郎織女可以靠著(zhù)“鵲橋”每隔一年相會(huì )一次。

那么在量子世界里，能讓“光子牛郎”和“光子織女”相遇的“鵲橋”就是“量子中繼”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組利用固態(tài)量子存儲器和外置糾纏光源，首次實(shí)現兩個(gè)吸收型量子存儲器之間的量子糾纏，并演示了多模式量子中繼。

該研究成果登上國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《Nature》新一期封面，這也是中國量子存儲和量子中繼領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

搭起光子間的“鵲橋”

受限于光子數在光纖中的指數衰減，遠程量子糾纏的傳輸距離被限制在百公里水平。

中科大科研團隊是這么描繪遠程量子糾纏傳輸難題：“通過(guò)光纖向距離一千公里外的地方每秒發(fā)射一百億個(gè)光子，要花三百年才能接收到一個(gè)光子。”

距離問(wèn)題，就成了當下量子網(wǎng)絡(luò )建設亟待解決的問(wèn)題之一。

為此，科學(xué)家們提出量子中繼的思想，即將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個(gè)臨近節點(diǎn)間建立可預報的量子糾纏，然后通過(guò)糾纏交換技術(shù)進(jìn)行級聯(lián)，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

通俗易懂來(lái)講：如果直接發(fā)送光子很困難，那么可以像短跑接力一樣，將光子分段傳輸，從而實(shí)現遠距離通信。

這其中的技術(shù)核心是量子存儲技術(shù)，作為量子中繼的核心器件，量子存儲器對光子比特進(jìn)行緩存，并用于儲存光子糾纏態(tài)。

而當前業(yè)內一直研究的課題，就是提升糾纏連接效率。

獨創(chuàng )的“三明治”量子存儲器

目前，國際上的研究者已在冷原子氣體和單量子系統中實(shí)現量子中繼的基本鏈路，但均基于發(fā)射型量子存儲器構建，其糾纏光子是由存儲器本身發(fā)射出來(lái)的。此前，李傳鋒教授在接受新華社采訪(fǎng)時(shí)表示：發(fā)射型量子存儲器，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。

這種架構難以同時(shí)支持確定性光子發(fā)射和多模式復用存儲，限制了糾纏分發(fā)的速率。

而此次李傳鋒、周宗權研究組的吸收型量子存儲器的量子中繼架構，把量子存儲器和量子光源分離開(kāi)來(lái)，故能同時(shí)兼容確定性光子源和多模式復用，是目前理論上通信速率最優(yōu)的量子中繼方案。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，存儲和發(fā)射分離開(kāi)來(lái)，可以保證傳輸時(shí)的精確度。

此前，李傳鋒、周宗權研究組長(cháng)期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器的研究。

早在2015年，該團隊就首次利用光子的空間自由度實(shí)現復用量子存儲，存儲維度數達到51維，至今保持固態(tài)量子存儲維度數最高水平。

此后，研究組還進(jìn)一步證明他們的存儲器可以在時(shí)間和頻率自由度實(shí)現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。

在本次實(shí)驗里，研究組研究的是基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲，這種存儲器利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態(tài)。

基于獨創(chuàng )的“三明治”結構，每對糾纏光子中的一個(gè)光子被三明治型量子存儲器所存儲，然后，每對糾纏光子中的另一個(gè)光子會(huì )同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)，這就實(shí)現了量子中繼。

《Nature》雜志審稿人對此次的研究成功給予高度評價(jià)并表示：“這是在地面上實(shí)現遠距離量子網(wǎng)絡(luò )的一項重大成就。”

量子通信，中國新的突破口

總結來(lái)講，這次研究成果就是如何讓單個(gè)微弱的糾纏態(tài)光子在光纖中盡可能遠的傳輸，傳輸的其實(shí)依然是量子密鑰，距離真正的“量子+通訊”還有一定距離。

但這依然是中科大這些年量子通訊領(lǐng)域一系列進(jìn)步的延續，也延續著(zhù)該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

目前來(lái)看，中國已經(jīng)走在了國際量子通信領(lǐng)域的前列。

一方面，中國擁有世界上最好的光纖資源，這為其大規模實(shí)施量子通信提供了土壤。另一方面，行業(yè)頭部企業(yè)在產(chǎn)品上的突破和通信巨頭的入局，國內外相關(guān)標準制定的推進(jìn)，也為量子通信低成本產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)可能。

在未來(lái)，信息安全本身是一個(gè)剛需、龐大的市場(chǎng)，而量子通信作為信息安全中的重要戰略產(chǎn)業(yè)，也將一直保持行業(yè)技術(shù)突破，直到我國實(shí)現“量子霸權”。

對于今后的研究方向，李傳鋒教授表示：下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實(shí)現超越光纖直接傳輸的實(shí)用化量子中繼器。

我們也期待中科大科研團隊能在未來(lái)有更大的突破。

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