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

量子通信是當(dāng)下熱門的科研話題之一。

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

如果說牛郎織女可以靠著“鵲橋”每隔一年相會一次。

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(quán)研究組利用固態(tài)量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現(xiàn)兩個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)域的重大進展。

搭起光子間的“鵲橋”

受限于光子數(shù)在光纖中的指數(shù)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：“通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發(fā)射一百億個光子，要花三百年才能接收到一個光子。”

距離問題，就成了當(dāng)下量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)亟待解決的問題之一。

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臨近節(jié)點間建立可預(yù)報的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術(shù)進行級聯(lián)，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

通俗易懂來講：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，從而實現(xiàn)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行緩存，并用于儲存光子糾纏態(tài)。

而當(dāng)前業(yè)內(nèi)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(tǒng)中實現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均基于發(fā)射型量子存儲器構(gòu)建，其糾纏光子是由存儲器本身發(fā)射出來的。此前，李傳鋒教授在接受新華社采訪時表示：發(fā)射型量子存儲器，要么一次只能傳輸1個量子，效率低；要么一次傳輸多個量子，但精確率低。

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

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

簡單來說，存儲和發(fā)射分離開來，可以保證傳輸時的精確度。

此前，李傳鋒、周宗權(quán)研究組長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現(xiàn)復(fù)用量子存儲，存儲維度數(shù)達到51維，至今保持固態(tài)量子存儲維度數(shù)最高水平。

此后，研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，每對糾纏光子中的一個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光子會同時傳輸至中間站點，這就實現(xiàn)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并表示：“這是在地面上實現(xiàn)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(jié)來講，這次研究成果就是如何讓單個微弱的糾纏態(tài)光子在光纖中盡可能遠的傳輸，傳輸?shù)钠鋵嵰廊皇橇孔用荑€，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)域一系列進步的延續(xù)，也延續(xù)著該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

目前來看，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(guī)模實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(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的推進，也為量子通信低成本產(chǎn)業(yè)化帶來可能。

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

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(xù)提高量子存儲器的各項指標(biāo)，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶嵱没孔又欣^器。

我們也期待中科大科研團隊能在未來有更大的突破。

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