剛剛,量子糾纏技術又傳來好消息。中國科學技術大學潘建偉、包小輝的團隊在實驗室中實現了長距離的量子糾纏,兩種實驗方案分別實現了 22 公里和 50 公里的量子糾纏,創造了世界紀錄。50 公里的距離足以連接兩座城市,這一實驗成果及實驗中采用的相關技術或為實現多節點、遠距離量子糾纏鋪平道路,將是實現長距離量子通信網的重要一步。

2 月 13 日,實驗結果以論文形式發表在 Nature 上。

讓量子糾纏再遠一些

從計算機及網絡的發展史來看,要實現大規模的網絡,長距離通信技術是必不可少的。

在量子計算和量子通信領域來說,量子糾纏能夠實現的不僅僅是利用量子比特的特性,進行多狀態和加密信息傳輸,還應具有長距離的通信能力。量子通信最終的應用就是傳輸信息,在實現量子糾纏之后,科學家們一直致力實現遠距離的量子糾纏及相關信息傳輸的應用,但科學家們一直苦于不知如何讓其更遠一些。

事實上,遠距離糾纏在過去二十年中取得了顯著的進展。要實現遠距離糾纏,此前一般的做法是需要讓糾纏光子在光纖上的節點之間傳輸或通過衛星傳輸。但是,嚴重的傳輸損耗限制了光子分發的成功率,也限制了量子糾纏的距離。2015 年,代爾夫特理工大學(Technische Universiteit Delft)Ronald Hanson 課題組在兩個距離 1.3 公里的金剛石色心系統間驗證了量子糾纏,也初次驗證了遠距離量子糾纏的可行性。但是這樣的距離并不足以支持建立遠距離量子通信網或者量子互聯網。

但是在本次實驗中,由中科大潘建偉教授、包小輝教授領銜的研究團隊創新地將幾種技術結合在一起,并有針對性地解決了長期以來存在于遠距離量子糾纏的難題,實現了遠距離的量子糾纏。

研究參與者之一、中科大教授包小輝在接受 Deeptech 采訪時說道:“本次實驗的主要創新點在于,發展了適應于光纖內低損傳輸的高效光與原子糾纏技術,以及實現了存儲器光源經由長光纖傳輸后的遠程干涉。

自研關鍵器件,大幅降低了衰減

從理論上來說,量子糾纏是指兩粒粒子經過某段時間一起時的相互作用后,假設量子態沒被破壞,無論之后分開了多遠,它們最后被觀察出來的形態雖然根據量子力學是隨機,但兩者間永遠都存在著關聯。但是實現遠距離量子糾纏,遠遠不是將兩個量子糾纏系統分離很遠就可以了。

如今,實現遠距離量子糾纏的方式與遠距離通信相類似,建立發射端、接收端和它們之間的連接。映射到量子糾纏上來說,首先需要創造一對量子糾纏系統,接著建立遠距離的連接,最后驗證它們之間量子糾纏的正確性就行了。看似十分簡單,但是實現起來還是存在很多困難的。

首先,要建立有效的量子糾纏。據包小輝介紹,研究團隊是采用 “糾纏交換” 這一技術完成量子糾纏的建立。具體思路是在同一實驗室內選取銣原子團制作兩個獨立的量子存儲器,再建立兩對光與原子糾纏,即每個量子存儲器放出一個光子,這個光子與原子團是糾纏的。之后將兩個存儲器給出的光子經過遠距離傳輸后進行干涉測量,量子糾纏就會在兩個量子存儲器間建立起來,而量子存儲器原始的狀態也被存儲起來。比較類似于兩國都派出使節在中立國進行談判,而且雙方建立了友好關系。

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值得注意的是,在本次實驗中,兩個獨立的量子系統的直線物理距離只有 0.6 米——就在一個實驗室內,連接它們的其實是從位于安徽省合肥市的中國科技大學到軟件園的兩條平行的光纖。而圖中 “Middle Station” 中包含超導納米線傳感器,用于光子經過遠距離傳輸后進行干涉測量,這已經是量子中繼站的一種存在形式了,而這樣的設置也是此前潘建偉團隊的研究成果。

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接著,研究團隊采用兩種自主研制技術解決了連接中的高損耗問題。

第一,從源頭出發,研究團隊在兩個量子存儲器都設置了環形腔增強(Cavity Enhancement)技術來提升單光子與原子系綜間耦合,并優化光路傳輸效率,將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數量級。其中,腔增強光路是研究團隊自主研制,主要的思路是提升單光子與原子系綜間的耦合并降低腔內損耗,最終實現的腔內原子態至光子態轉化效率為 90% 左右。

第二,研究團隊選擇光纖作為連接介質,以光作為傳輸信息的載體。但是,原子存儲器對應的光波長在光纖中的損耗約為 3.5dB/km,在 50 公里光纖中,衰減將達到十億億倍(具體衰減倍數為 10 的 17.5 次方),使得量子通信無法實現。

對此,包小輝介紹:“研究團隊自主研發周期極化鈮酸鋰波導,通過非線性差頻過程,將存儲器的光波長由近紅外(795 nm)轉換至通信波段(1342 nm),將 50 公里的光纖衰減降低到百倍以內,相比之前提升了 16 個數量級。”簡單而言,就是將原來要傳輸的光子頻率改變了,變換為傳輸衰減較小的通信波段頻率,實現了遠距離的量子糾纏。這樣的變頻設置就和我們日常所見的變壓器很類似,在傳輸電能時將電壓升高以降低輸電線中損耗的能量。

多種技術的融合

總的來說,本次實驗將多種技術融合實現了遠距離的量子通信,其中創造性地采用了 “腔增強” 和“變頻”等技術,將多年未懸而未決的高損耗難題解開。實驗中使用的多項技術和創新思維也體現了潘建偉團隊多年科研的技術沉淀。

量子計算和量子通信領域無疑是近幾年來科研界最炙手可熱的領域之一了,基本都是一年好幾個重大突破。此次的實驗對于實現量子通信具有十分重要的意義。

但是,實現遠距離量子通信還遠遠不止這一步,潘建偉、包小輝領銜的研究團隊在論文的最后也提到將量子糾纏的距離進一步拉遠和引入多種量子存儲器可能是新的研究方向,并且這對于實現高級量子通信的應用有重大意義。而本次實驗中采用的類似量子中繼站的形式也能進一步拓寬量子糾纏的跨度。

本次實驗的論文是 2019 年 3 月 26 日投稿,距今已經快一年的時間,相信中國科學家還會給我們帶來新的驚喜,2020 年的量子信息技術值得期待!

責任編輯:teikaei

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潘建偉團隊再創紀錄,量子糾纏距離足以連接兩座城

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