【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事在可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得重大突破。汪野、萬雍、張強(qiáng)、潘建偉等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、香港大學(xué)、清華大學(xué)等的研究人員合作，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。與此同時(shí)，包小輝、徐飛虎、張強(qiáng)、潘建偉等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、新加坡國(guó)立大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)等的研究人員合作，實(shí)現(xiàn)了單原子節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏，并在此基礎(chǔ)上將器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)(DI-QKD)的傳輸距離突破百公里，極大推進(jìn)了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。兩項(xiàng)成果分別于北京時(shí)間2月3日和6日發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》和《科學(xué)》。
上述突破是我國(guó)在量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域繼“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之后取得的又一里程碑式成果，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，進(jìn)一步擴(kuò)大了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
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)：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。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。
圖1. 量子網(wǎng)絡(luò)示意圖
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10-20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。
量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案：例如，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。
圖2. 量子中繼原理圖。(1)近鄰中繼節(jié)點(diǎn)之間(例如A與B、B與C之間等)通過光子干涉建立糾纏。(2)在節(jié)點(diǎn)B執(zhí)行糾纏交換，可以在節(jié)點(diǎn)A和C之間建立糾纏，以此類推。(3)通過多級(jí)糾纏交換將糾纏距離逐級(jí)擴(kuò)展，最終在最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)A和K之間建立糾纏。
早在1998年，潘建偉及其同事就在國(guó)際上演示了量子糾纏的連接。此后，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要進(jìn)展。但是，近30年來始終未能解決的一項(xiàng)重大技術(shù)難題是：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，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)，從而成功構(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。
圖3. 可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊原理圖。(1)實(shí)驗(yàn)由長(zhǎng)壽命囚禁離子量子儲(chǔ)存器、高效率量子頻率轉(zhuǎn)換模塊與高對(duì)比度單光子干涉模塊組成。(2)糾纏建立速率為2.226赫茲，即等待時(shí)間約450毫秒。(3)糾纏壽命約550毫秒。
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。因此，DI-QKD被量子密碼學(xué)的奠基人之一、2018年沃爾夫獎(jiǎng)獲得者Gilles Brassard譽(yù)為“密碼學(xué)者千年來所追尋的‘圣杯’”。
然而，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)進(jìn)一步成功實(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)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，傳輸距離較以往最好結(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。
圖4. 百公里DI-QKD實(shí)驗(yàn)示意圖。兩端節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單原子通過里德堡單光子生成過程發(fā)射光子，光子經(jīng)長(zhǎng)距離光纖傳輸至中間節(jié)點(diǎn)并發(fā)生干涉。在探測(cè)到預(yù)報(bào)事件后，兩端原子被投影到遠(yuǎn)距離糾纏態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)糾纏分發(fā)。隨后兩端對(duì)原子進(jìn)行隨機(jī)基測(cè)量，測(cè)量結(jié)果用于貝爾不等式檢驗(yàn)以驗(yàn)證安全性，并在通過檢驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理生成安全密鑰。
上述兩項(xiàng)研究工作得到國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院及安徽省、合肥市、山東省、濟(jì)南市、香港研究資助局等的支持。
(微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)
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