近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉等科研人員，在可擴展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得突破。在國際上首次構(gòu)建出可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實可能；實現(xiàn)了單原子節(jié)點間的遠距離高保真糾纏，同時在此基礎(chǔ)上首次將器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的傳輸距離突破百公里，推進了該技術(shù)的實用化進程。

01

可擴展量子網(wǎng)絡(luò)

面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

量子信息科學的終極發(fā)展目標是構(gòu)建高效、安全的量子網(wǎng)絡(luò)，即利用量子精密測量實現(xiàn)對信息的高精度感知、利用量子通信實現(xiàn)信息的安全和高效傳輸、利用量子計算實現(xiàn)信息的指數(shù)級加速處理，從而實現(xiàn)對物質(zhì)世界認知能力的革命性飛躍。

▲中國科大實現(xiàn)可擴展量子中繼核心組件與百公里器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)

構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素是遠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)實現(xiàn)經(jīng)典信息的安全傳輸，還可以通過量子隱形傳態(tài)為量子計算機與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。

光纖的固有損耗導致量子糾纏的傳輸效率隨距離成指數(shù)衰減，成為構(gòu)建可擴展量子網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)。例如，經(jīng)過1000公里標準光纖直接傳輸后，光信號將衰減至原始強度的10至20量級（萬億億分之一），這意味著即使每秒發(fā)射100億對糾纏光子，平均每300年才能接收到一對糾纏。

02

實現(xiàn)可擴展量子中繼

量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案。如在1000公里光纖線路中，可以每隔100公里設(shè)置一個中繼站點，在相鄰站點之間產(chǎn)生糾纏，再通過糾纏交換將各段糾纏連接起來以實現(xiàn)遙遠地點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。

早在1998年，潘建偉及其同事就在國際上首次演示了量子糾纏的連接。但是，近30年來始終未能解決的一項重大技術(shù)難題：糾纏的壽命遠遠短于產(chǎn)生糾纏所需的時間，以至于在糾纏的存活時間內(nèi)，與之相鄰的糾纏難以確定性產(chǎn)生，因而無法實現(xiàn)糾纏的有效連接，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。

針對這一核心難題，中國科大研究團隊通過發(fā)展長壽命囚禁離子量子存儲器、高效率離子—光子通信接口及高保真度單光子糾纏協(xié)議，在國際上首次實現(xiàn)長壽命量子糾纏，糾纏壽命（550毫秒）顯著超過糾纏建立所需的時間（450毫秒），成功構(gòu)建了可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實可能。

03

距離突破百公里

遠距離糾纏分發(fā)的一個直接應(yīng)用是實現(xiàn)現(xiàn)實條件下最高安全等級的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對器件參數(shù)進行精確標定以保障現(xiàn)實安全性，這通常會在實際應(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)的糾纏并驗證無漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴格保證密鑰分發(fā)的安全而無需對器件參數(shù)進行精確標定。

但DI-QKD的實驗實現(xiàn)面臨極為嚴苛的技術(shù)門檻。遠程節(jié)點間的量子糾纏需要同時滿足以下條件：（1）具備極高的探測效率，以有效關(guān)閉探測器效率漏洞；（2）維持極高的糾纏保真度，以確保對貝爾不等式足夠顯著的違背。受限于長距離光纖損耗及系統(tǒng)噪聲等不利因素，國際上此前相關(guān)實驗演示大多局限于短距離范圍（通常為數(shù)米至數(shù)百米），與實際應(yīng)用需求存在顯著差距。

基于可擴展量子中繼技術(shù)，中國科大研究團隊成功實現(xiàn)了兩個銣原子間的遠距離高保真糾纏：在最長達100公里的光纖鏈路上，原子節(jié)點間遠程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優(yōu)于此前國際同類實驗結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，團隊首次在城域尺度光纖鏈路上實現(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格證明，傳輸距離較此前最好結(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，傳輸距離較國際此前最好實驗水平提升兩個數(shù)量級以上。

▲量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

上述突破標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)實可能。

來源：中國科學技術(shù)大學

責任編輯：吳昊