潘建伟团队实现50千米的量子存储器纠缠

潘建伟团队实现50千米的量子存储器纠缠
2020年02月17日 09:12 环球科学

  研究团队通过中科大校园与合肥软件园之间的光纤,实现了远距离的量子纠缠。

  近些年来,量子通信因其无与伦比的安全性备受关注,但在技术层面,远距离的传输却面临大量挑战。其中之一,便是减少光纤中的信号损耗,以提升传输距离。在一项发表于《自然》杂志的研究中,中国科学技术大学潘建伟团队首次让由50千米光纤相连的两个量子存储器实现纠缠,不仅大幅刷新了此前的纪录,也为构建基于量子中继的量子互联网奠定了重要基础。

  根据量子力学理论,两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都可以保持一种“幽灵般的超距作用”——两个粒子的状态密切相关,只要测定其中一个粒子,就能获知另一个粒子在此刻的状态。这样的性质在通信领域有着诱人的应用场景——作为最安全的通信手段,一旦有黑客试图对粒子进行测量,量子态就会不可避免地改变。

  尽管量子纠缠理论上不存在距离限制,但在实际技术层面,实现远距离的传输却面临众多挑战。

  量子中继器

  2017年,潘建伟团队曾利用“墨子号”量子通信卫星,在相距1200千米的青海德令哈基站和云南丽江高美古基站之间,实现纠缠态光子的传输,创下量子纠缠传输距离的纪录。不过,通过卫星进行的纠缠态光子传输损耗很大:墨子号每秒发射的600万对纠缠态光子中,只有一对可以被地面基站接收到。而且,卫星传输更适用于大尺度的覆盖,而城市间的量子通信,则需要基于地面的量子通信网络。

  在此之前,包括潘建伟团队在内的研究团队已经通过光纤构建出城域量子通信网络,但由于光纤中的损耗不可避免,这样直接点对点的量子通信方式,距离受到限制。因此,科学家逐渐意识到,要实现更远距离的量子通信,就必须在途中建立“驿站”。

  这样的“驿站”,就是量子中继器。量子中继器的核心思想,是将远距离点对点传输转换为分段传输。在两个节点分别产生原子与光子的纠缠后,光子通过光纤分别传输至中间节点,也就是量子中继器中。这时,在量子中继器中对两端的光子进行干涉,再进行分发,就实现了两个相距甚远的节点的量子纠缠。因此,这种思路有望大幅拓展安全通信距离。

  “卫星传输更适用于广域大尺度覆盖,以及无法铺设光纤的场合,”最新论文的第一作者包小辉教授在接受《环球科学》采访时介绍道,“而基于量子存储的量子中继主要适用于光纤地面网络,用来实现城域及城际覆盖。”

  然而,实现这一想法的难度颇高。此前,最远的光纤量子中继仅有1.3千米。这是2015年时,荷兰代尔夫特理工大学的研究人员取得的突破性进展。他们在校园内相距1.3千米的地方,首次验证了实现远距离量子纠缠的可行性。

  对于这项研究,1.3千米的光纤传输已是极限;但对于量子通信来说,还远远不够。

  降低光子损耗

  限制纠缠光子传输距离的一个重要因素,就是光子在光纤中的严重损耗。如果经过50千米的光纤传输,信号将衰减至最初的十亿亿分之一。这样的损耗程度,显然是量子通信无法接受的。

  为了减少光子在光纤中的损耗,在这项最新研究中,潘建伟团队采用了一系列巧妙的手段。例如,存储器的光波原本在795纳米的近红外光,而研究团队将光波长转换成1342纳米的通信波段,大幅降低了光纤中的光子损耗程度。这时,在50千米的光纤中,相较于波长转换之前,衰减程度减少了足足16个数量级

  此外,研究者使用了一种环形腔增强技术来制备纠缠原子和光子,从而将量子光源的亮度提高了一个数量级,大幅提升传输效率。

  在中科大的实验室中,研究团队开始了这项实验。他们在实验室内设置了两个量子存储器,每个存储器中含有铷原子团。利用这项装置,分别在两个存储器中建立起光子与原子团的纠缠。用激光照向铷原子团后,产生的光子与原子团形成纠缠。随后,光子分别沿着两条光纤传输,并在11千米外的合肥软件园中的中继器里汇合,进行干涉测量。这时,借助这个中间环节,就实现了两个存储器中铷原子团的量子纠缠

实验装置图 实验装置图 

  50千米的纠缠

  研究团队首先利用双光子干涉,实现了22千米的纠缠光子传输。这一结果已经大幅刷新了此前的纪录。在此基础上,研究团队更近一步,利用难度更高的单光子干涉进行量子纠缠传输。相较于双光子方案,“单光子方案的实验难度更高一些,因为它要求光子相位同步,”包小辉表示,“但由于只需要探测单个光子,因此单光子干涉的纠缠速率更高,理论上允许的通信距离更远。”

  为实现远程单光子干涉,团队设计了双重相位锁定方案,并成功实现50千米的量子传输。相较于2015年的研究,除了传输距离的提升,纠缠概率、量子链路效率、纠缠时间等指标也都得到了显著提升。包小辉指出,纠缠概率的变化尤为关键:相较于2015年的研究,这项最新研究的纠缠概率高了近5个数量级,大幅提升了量子纠缠分发的能力。

  这项研究通过一系列全新的设计,有效解决了光纤传输中信号衰减的难题,为构建基于量子中继的量子互联网奠定了重要基础。

  不过,这项实验距离最终的目标仍有相当的距离。2015年研究的领导者Ronald Hanson在接受《科学》杂志采访时表示,这项实验是发展量子中继器的重要一步,但距离真正的中继器,仍有大量提升空间。例如目前的铷原子团还无法维持长时间的量子态,以满足多链路的需求。此外,这项实验中两个量子存储器的实际距离只有不到1米,只是通过长距离的光纤连接。将两个节点的距离拉远后,实验难度将进一步增加。接下来,研究团队将实现真正远距离分开的双节点实验。

  包小辉表示:“量子互联网按发展程度可分为量子密钥网络、量子存储网络、量子计算网络三个阶段。将这一工作拓展至真正远距离的双节点实验后,将有望以此为基础开展量子中继等研究,并构建量子存储网络的原型系统。”

单光子量子纠缠
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