理論或正走向現(xiàn)實(shí)！中國(guó)科大取得可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)突破 | 科技前線

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉等科研人員，在可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得突破。在國(guó)際上首次構(gòu)建出可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能；實(shí)現(xiàn)了單原子節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏，同時(shí)在此基礎(chǔ)上首次將器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的傳輸距離突破百公里，推進(jìn)了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

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可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)

面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

量子信息科學(xué)的終極發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建高效、安全的量子網(wǎng)絡(luò)，即利用量子精密測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的高精度感知、利用量子通信實(shí)現(xiàn)信息的安全和高效傳輸、利用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)信息的指數(shù)級(jí)加速處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知能力的革命性飛躍。

▲中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子中繼核心組件與百公里器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)

構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素是遠(yuǎn)距離確定性量子糾纏分發(fā)。基于量子糾纏，不僅可以通過量子密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息的安全傳輸，還可以通過量子隱形傳態(tài)為量子計(jì)算機(jī)與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。

光纖的固有損耗導(dǎo)致量子糾纏的傳輸效率隨距離成指數(shù)衰減，成為構(gòu)建可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)。例如，經(jīng)過1000公里標(biāo)準(zhǔn)光纖直接傳輸后，光信號(hào)將衰減至原始強(qiáng)度的10至20量級(jí)（萬億億分之一），這意味著即使每秒發(fā)射100億對(duì)糾纏光子，平均每300年才能接收到一對(duì)糾纏。

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實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子中繼

量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案。如在1000公里光纖線路中，可以每隔100公里設(shè)置一個(gè)中繼站點(diǎn)，在相鄰站點(diǎn)之間產(chǎn)生糾纏，再通過糾纏交換將各段糾纏連接起來以實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的有效糾纏分發(fā)。

利用該方案，用同樣發(fā)射速率的光源，每秒可接收到一億對(duì)糾纏光子，傳輸效率提升100億億倍。因此，一直以來量子中繼是光纖量子網(wǎng)絡(luò)最重要的研究方向。

早在1998年，潘建偉及其同事就在國(guó)際上首次演示了量子糾纏的連接。但是，近30年來始終未能解決的一項(xiàng)重大技術(shù)難題：糾纏的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于產(chǎn)生糾纏所需的時(shí)間，以至于在糾纏的存活時(shí)間內(nèi)，與之相鄰的糾纏難以確定性產(chǎn)生，因而無法實(shí)現(xiàn)糾纏的有效連接，嚴(yán)重制約了量子中繼的可擴(kuò)展性。

針對(duì)這一核心難題，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)通過發(fā)展長(zhǎng)壽命囚禁離子量子存儲(chǔ)器、高效率離子—光子通信接口及高保真度單光子糾纏協(xié)議，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命量子糾纏，糾纏壽命（550毫秒）顯著超過糾纏建立所需的時(shí)間（450毫秒），成功構(gòu)建了可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能。

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距離突破百公里

遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)的一個(gè)直接應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)條件下最高安全等級(jí)的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定以保障現(xiàn)實(shí)安全性，這通常會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中帶來不便。

而基于糾纏的器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）方案則突破了這一限制，即使量子器件完全不可信，只要通信雙方能夠建立起足夠高品質(zhì)的糾纏并驗(yàn)證無漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴(yán)格保證密鑰分發(fā)的安全而無需對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定。

但DI-QKD的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)面臨極為嚴(yán)苛的技術(shù)門檻。遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)間的量子糾纏需要同時(shí)滿足以下條件：（1）具備極高的探測(cè)效率，以有效關(guān)閉探測(cè)器效率漏洞；（2）維持極高的糾纏保真度，以確保對(duì)貝爾不等式足夠顯著的違背。受限于長(zhǎng)距離光纖損耗及系統(tǒng)噪聲等不利因素，國(guó)際上此前相關(guān)實(shí)驗(yàn)演示大多局限于短距離范圍（通常為數(shù)米至數(shù)百米），與實(shí)際應(yīng)用需求存在顯著差距。

基于可擴(kuò)展量子中繼技術(shù)，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)銣原子間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏：在最長(zhǎng)達(dá)100公里的光纖鏈路上，原子節(jié)點(diǎn)間遠(yuǎn)程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優(yōu)于此前國(guó)際同類實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首次在城域尺度光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)：在11公里光纖鏈路中完成了基于有限數(shù)據(jù)量的安全性分析與嚴(yán)格證明，傳輸距離較此前最好結(jié)果提升約3000倍；在100公里光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國(guó)際此前最好實(shí)驗(yàn)水平提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

▲量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

上述突破標(biāo)志著基于量子糾纏的光纖量子網(wǎng)絡(luò)，正在從理論構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)可能。

來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：吳昊