中科大90后團(tuán)隊(duì)搭建 “量子鵲橋”，可將量子通信速率提升四倍，相關(guān)研究登上 Nature 封面 | 專訪

北京時(shí)間 6 月 2 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組，首次實(shí)現(xiàn)基于吸收型存儲(chǔ)器的量子中繼基本鏈路，并展現(xiàn)了多模式量子中繼的通信加速效果。
假如量子世界中兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)分別是牛郎和織女，這條量子中繼基本鏈路就是鵲橋，中科大團(tuán)隊(duì)建立的多模式量子中繼能讓通信速率提升四倍，可為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供全新實(shí)現(xiàn)方案。

相關(guān)論文以《基于吸收型存儲(chǔ)的可預(yù)報(bào)量子糾纏分發(fā)》（Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories）為題發(fā)表在 Nature 上，并且是當(dāng)期封面文章，其中周宗權(quán)擔(dān)任共同通訊作者，他生于 1990 年，目前是中科大的副教授。
論文共同第一作者劉肖及胡軍說(shuō)：“我們成功演示了四個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，獲得了四倍加速的糾纏分發(fā)速率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)貝爾態(tài)測(cè)量預(yù)報(bào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度超過(guò) 80%?！?em style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; font-style: italic;">Nature 審稿人評(píng)價(jià)該工作稱：“這是在地面上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重大成就”“將為接下來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)”，并表示相關(guān) “實(shí)驗(yàn)在量子中繼應(yīng)用中具有一系列的優(yōu)勢(shì)，比如多模式復(fù)用?！?/span>
多年來(lái)，全球科學(xué)界都在為構(gòu)建全球性量子通信網(wǎng)而努力。假如兩個(gè)量子發(fā)生糾纏，一個(gè)有變化，另一個(gè)瞬間也會(huì)變。依靠這種現(xiàn)象，無(wú)論兩點(diǎn)之間距離有多遠(yuǎn)，人類都有希望實(shí)現(xiàn)量子通信，但當(dāng)前仍有很多待解難題。
按照傳說(shuō)，牛郎織女可以每年一會(huì)，而光纖每秒****到一千公里之外的一百億個(gè)光子，竟要耗時(shí)三百年才能接收到一個(gè)光子。
后來(lái)，量子中繼的思想被提出，其核心是把遠(yuǎn)距離傳輸分為多個(gè)短距離傳輸，然后在基本鏈路的兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)間建立可預(yù)報(bào)的量子糾纏，再通過(guò)糾纏交換技術(shù)來(lái)逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。
其中，量子存儲(chǔ)器是量子中繼的核心器件，可用于儲(chǔ)存光子糾纏態(tài)，在相鄰存儲(chǔ)器糾纏成功之后，量子存儲(chǔ)器就能執(zhí)行下一步糾纏交換。
此前，相關(guān)研究大多使用****型量子存儲(chǔ)器。使用這種存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)在于，無(wú)法同時(shí)支持高效率糾纏光子****以及多模式復(fù)用技術(shù)。而基于吸收型存儲(chǔ)器的量子中繼可以克服這個(gè)困難。多年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)一直在研究吸收型量子存儲(chǔ)器，并將成果體現(xiàn)在本次論文中。
遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸，是構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心任務(wù)。但是，光子數(shù)在光纖中的指數(shù)衰減，導(dǎo)致地面的直接傳輸距離被局限在一百公里之內(nèi)。量子中繼傳輸速度主要受到哪些因素影響？
周宗權(quán)表示，量子中繼的傳輸速率，會(huì)受到很多因素的影響，量子中繼的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及器件性能都會(huì)影響速率。
具體而言，量子中繼主要包括兩步：第一步是基本鏈路的糾纏建立；第二步是基本鏈路之間的糾纏交換過(guò)程。其中，糾纏交換的速率主要由量子光學(xué)基本原理所限制，所以提升速率的關(guān)鍵，在于基本鏈路的糾纏建立速率。

這一速率的主要受制因素有糾纏光源的****概率，以及不可避免的傳輸以及器件損耗。針對(duì)糾纏光源的****概率，使用能以 100% 幾率****的光源確定性光源即可解決，它需要的物理系統(tǒng)是單原子類型的。
而針對(duì)不可避免的傳輸以及器件損耗，使用多模式復(fù)用可以克服損耗，而它需要的物理系統(tǒng)是原子系綜類型。作為目前最優(yōu)的量子中繼架構(gòu)，吸收型存儲(chǔ)器可同時(shí)滿足這兩個(gè)訴求。 另外，量子中繼需要使用很多器件，如量子存儲(chǔ)器、量子糾纏光源、單光子探測(cè)器等，每種器件的不完美都會(huì)導(dǎo)致傳輸速率降低。對(duì)量子存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)效率和多模式復(fù)用能力等指標(biāo)非常重要。而對(duì)量子糾纏光源來(lái)說(shuō)，****速率、收集效率等指標(biāo)對(duì)傳輸速率也影響很大。
多模式復(fù)用可提高糾纏傳輸速率周宗權(quán)解釋稱，多模式復(fù)用能提高糾纏的傳輸速率，類似光纖通信中的時(shí)分復(fù)用及波分復(fù)用技術(shù)可以提高通信速度。而在該研究的實(shí)驗(yàn)里，多模式是指的時(shí)間模式，即處于不同時(shí)間范圍的光子。
在一個(gè)量子中繼的基本鏈路中，兩端節(jié)點(diǎn)的糾纏建立會(huì)面臨如下挑戰(zhàn)，每次嘗試時(shí)如果只有一個(gè)模式，那么在該周期內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能****一對(duì)光子來(lái)嘗試建立糾纏。由于信道損耗，一般成功概率很小。一旦失敗，就要等到下一周期進(jìn)行再嘗試。
如果有多個(gè)模式，每個(gè)模式的光子都能進(jìn)行糾纏建立。并且，只要有一對(duì)光子成功建立糾纏，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏也會(huì)成功建立，量子糾纏建立的成功率也可得到提高。
周宗權(quán)解釋稱，中繼鏈路糾纏分發(fā)的速率和模式數(shù)成正比，假如使用 N 個(gè)模式數(shù)，就能將糾纏分發(fā)的速率提高 N 倍。
據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲(chǔ)器，在基于這種存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)中，量子光源和量子存儲(chǔ)器是相獨(dú)立的，因此該架構(gòu)可同時(shí)兼容確定性量子光源和多模式復(fù)用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。
經(jīng)過(guò)三年多的努力，該團(tuán)隊(duì)使用吸收型量子存儲(chǔ)器演示了量子中繼的基本鏈路。兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)、以及中間站點(diǎn)貝爾態(tài)測(cè)量裝置，可組成一個(gè)基本鏈路。每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)中，除了 “牛郎”“織女” 量子存儲(chǔ)器之外，各自還有一個(gè)糾纏光子對(duì)。
研究中，周宗權(quán)使用量子存儲(chǔ)器捕獲、并存儲(chǔ)糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子，每對(duì)糾纏光子中的另一個(gè)光子，可通過(guò)光纖被傳輸?shù)街虚g站點(diǎn) “鵲橋”，然后進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量（Bell-state measurement），測(cè)量過(guò)程中即可建立量子糾纏。這意味著，借助量子中繼基本鏈路這一 “鵲橋”，作為 “牛郎” 和 “織女” 的兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)，就算不見(jiàn)面也能成功建立糾纏。
談及“牛郎”“織女” 所使用的量子存儲(chǔ)器的不同，周宗權(quán)告訴 DeepTech，“牛郎” 和 “織女” 所用的量子存儲(chǔ)器本質(zhì)上是一樣的，它們就是一個(gè)中繼鏈路的末端兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。
這里用的是糾纏交換技術(shù)，具體原理如下：如果 A 和 B 是糾纏的，C 和 D 也是糾纏的，盡管 A 和 D 沒(méi)有發(fā)生過(guò)直接作用，但是對(duì) B 和 C 執(zhí)行貝爾態(tài)投影測(cè)量，只需成功進(jìn)行一次投影測(cè)量，就能 “預(yù)報(bào)” A 和 D 之間糾纏態(tài)的建立。這里的 A 和 D 可以理解成 “牛郎” 和 “織女”，B 和 C 就是中間的 “鵲橋”。
值得一提的是，中間站點(diǎn) “鵲橋” 除了能建立量子存儲(chǔ)器之間的糾纏，還能預(yù)報(bào)這種糾纏，即知道糾纏何時(shí)建立成功，這對(duì)量子中繼來(lái)說(shuō)可謂至關(guān)重要。因?yàn)橄乱徊降募m纏交換，必須在相鄰的基本鏈路都已預(yù)報(bào)糾纏、且成功建立的條件下才能執(zhí)行。
說(shuō)到本次研究所用量子存儲(chǔ)設(shè)備不同之處，周宗權(quán)告訴 DeepTech，此前量子中繼實(shí)驗(yàn)使用的都是****型量子存儲(chǔ)器，而本次實(shí)驗(yàn)使用的是吸收型量子存儲(chǔ)器。****型存儲(chǔ)器的糾纏光子是由存儲(chǔ)器直接****出來(lái)的，雖然它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)潔，但是兼容性較差。
這時(shí)，如果使用單原子系統(tǒng)，就很難進(jìn)行多模式復(fù)用；如果使用原子系綜，則很難進(jìn)行確定性發(fā)光。概括來(lái)說(shuō)，這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難同時(shí)滿足確定性量子光源、以及多模式復(fù)用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。

而在基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)中，量子光源與量子存儲(chǔ)器是互相獨(dú)立的。量子光源可采用單原子系統(tǒng)，而存儲(chǔ)器可使用原子系綜，所以這種架構(gòu)可同時(shí)兼容確定性量子光源以及多模式復(fù)用，因此是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案?；谶@種架構(gòu)，周宗權(quán)在中繼鏈路中，進(jìn)一步演示了多模式復(fù)用技術(shù)。

瞄準(zhǔn)千公里乃至萬(wàn)公里級(jí)量子網(wǎng)絡(luò)

目前的實(shí)驗(yàn)兩個(gè)存儲(chǔ)器相距僅 3.5 米，而瞄準(zhǔn)的應(yīng)用目標(biāo)是千公里乃至萬(wàn)公里級(jí)的量子網(wǎng)絡(luò)，所以距離實(shí)際應(yīng)用還需解決很多問(wèn)題。
周宗權(quán)解告訴 DeepTech，對(duì)于量子光源、量子存儲(chǔ)、探測(cè)器和信道穩(wěn)定性等，量子中繼有著比較苛刻的技術(shù)需求，系統(tǒng)工程比較復(fù)雜。當(dāng)前，研制量子中繼的相關(guān)實(shí)驗(yàn)也在不斷推進(jìn)中。
下一步，周宗權(quán)和團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提高量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)指標(biāo)比如存儲(chǔ)時(shí)間和效率等，并將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(shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)牧孔又欣^器，如果實(shí)現(xiàn)了，這將是量子中繼走上實(shí)用化的重要標(biāo)志之一。
其表示，量子中繼一旦走向?qū)嵱没?，就能在地面上利用現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)分發(fā)量子糾纏，可支持量子密鑰分發(fā)、量子計(jì)算機(jī)互聯(lián)、分布式量子精密測(cè)量等所有已知的量子信息應(yīng)用。 舉例來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)之間如何傳輸 100 個(gè)量子位的糾纏態(tài)？如果全部轉(zhuǎn)化為經(jīng)典數(shù)據(jù)再傳輸，則數(shù)據(jù)量大約是 2 的 100 次方，超出地球所有經(jīng)典存儲(chǔ)器的容量之和，顯然這樣不可行。而如果直接傳輸量子態(tài)，則只需要傳輸100個(gè)光子，所以需要建立量子網(wǎng)絡(luò)，以直接傳輸量子態(tài)的方法來(lái)建立量子計(jì)算機(jī)的互聯(lián)。
目前的光纖量子密鑰分發(fā)在 500km 以內(nèi)，如果能基于量子中繼建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò)，則可以實(shí)現(xiàn)基于物理學(xué)原理安全的千公里級(jí)通信。
周宗權(quán)表示：“利用吸收型量子存儲(chǔ)器有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步推動(dòng)量子世界里‘牛郎與織女’的順利通信。”
下一步，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提高量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)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(shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器。
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