中國科學技術大學近日演示了兩個量子存儲器相距50公里的糾纏,為解決大規模量子互聯網的關鍵技術問題提供了思路。此前,兩個固定節點之間的量子糾纏始終無法超越1.3公里的距離。相關論文于2月13日凌晨發表在世界頂級學術期刊、英國《自然》雜志上。中科大教授潘建偉、包小輝、張強為文章的通訊作者。

(原標題:潘建偉團隊實現50公里遠的量子存儲器糾纏,超紀錄37倍)

澎湃新聞記者 虞涵棋

量子是物理學中不可再分的基本單元,比如,光子就是量子性的,不存在“半個光子”的說法。在這個微觀世界里,科學家們發現了許多奇妙的特性,量子通信、量子計算等概念基于此發展起來。

量子糾纏就是其一,愛因斯坦稱之為“鬼魅般的遠距作用”。處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯,其中一個量子狀態發生改變(比如人們對其進行測量),另一個的狀態會瞬時發生相應改變,仿佛“心靈感應”。

雖然理論上是這樣,但如果要建成大規模的量子互聯網絡,保證兩個遙遠的節點保持這樣精妙的糾纏態,仍存在許多技術上的挑戰。

自上個世紀70年代以來,物理學家們開始嘗試遠距離量子糾纏分發,即把處于糾纏態的光子分發到兩處。

早在2005年,潘建偉團隊就在合肥大蜀山實現了13公里的量子糾纏分發。2012年,該團隊又在青海湖實現了首個超過102公里的量子糾纏分發實驗。2017年,利用世界首顆量子通信實驗衛星“墨子號”,他們創下了世界量子糾纏分發距離的紀錄,達到1200千米。

不過,這樣的星地量子糾纏分發造成的傳輸損耗很大,在實際應用上有很大挑戰。若要讓光子在遠距離光纖上傳輸,也會出現嚴重的損耗,限制分發的成功率。

論文提到,一個解決方案是,在兩個遠距離節點上各自制備量子存儲器(某種可以儲存量子態的物質)和一個光子的糾纏,再把這兩個光子傳輸到一個共同的中間節點。對這兩個光子進行適當的測量操作后,就能把原節點上的兩個量子存儲器投射成遠程糾纏態。

通過中間節點實現兩個原子團簇的遠距離糾纏

此前,國際科學家們曾用原子團簇、原子、金剛石中氮空位色心、離子阱等系統作為量子存儲器進行操作,但最好的結果也只有1.3公里。

論文指出,想把糾纏距離拓展到城際規模,存在三個主要的挑戰。一是獲得“明亮”(即有效)的物質-光子糾纏,二是減少傳輸損耗,三是實現長距離光纖中穩定的高可見干涉。

針對以上挑戰,研究團隊利用一種名為腔增強的量子效應來制備明亮的原子團簇和光子糾纏。他們在中科大校園內設置了兩個這樣的節點,再把兩個信使光子通過兩條平行的11公里長光纖傳輸到中間節點——合肥軟件園。

為了減少傳輸期間的光子損耗,研究團隊利用量子頻率轉換技術,將光子從近紅外頻率轉換為適合于電信傳輸的頻率。最后,他們在雙光子干涉機制下實現了兩個量子節點的糾纏,等于說跨越了22公里。

接下去,中科大團隊又更進一步,在單光子干涉機制下,讓兩個由50公里長光纖連接的節點實現了糾纏,達到了城際尺度。

論文樂觀地判斷,把更多類似距離的節點連接起來,這個實驗就可以拓展成一個量子網絡的功能單位,為建立大規模的量子互聯網做好了鋪墊。

責任編輯:vivian

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