北京時(shí)間2月3日至6日，短短三天時(shí)間里，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)接連在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》和《Science》發(fā)表兩篇重磅研究論文，分別在可擴(kuò)展量子中繼和百公里級器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)兩大領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。兩項(xiàng)成果均為遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與量子通信實(shí)用化奠定了里程碑式基礎(chǔ)，進(jìn)一步鞏固了我國在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，標(biāo)志著基于量子糾纏的光纖量子網(wǎng)絡(luò)正從理論構(gòu)想加速走向現(xiàn)實(shí)可能。

量子信息科學(xué)的終極發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建高效、安全的量子網(wǎng)絡(luò)，而遠(yuǎn)距離確定性量子糾纏分發(fā)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心要素。光纖的固有損耗導(dǎo)致量子糾纏傳輸效率隨距離呈指數(shù)衰減，這一難題長期制約著量子網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性——經(jīng)過1000公里標(biāo)準(zhǔn)光纖直接傳輸后，光信號衰減將達(dá)到萬億億分之一，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。潘建偉團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)成果分別從“中繼賦能”和“安全升級”兩個(gè)維度，針對性破解了這一領(lǐng)域的關(guān)鍵瓶頸，形成了互補(bǔ)支撐的重大突破。

Nature：構(gòu)建可擴(kuò)展量子中繼基本模塊，破解糾纏連接核心難題

2月3日，潘建偉團(tuán)隊(duì)與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、香港大學(xué)、清華大學(xué)等單位合作，以“Long-lived remote ion-ion entanglement for scalable quantum repeaters”為題，在《Nature》發(fā)表研究論文，首次構(gòu)建出可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能。

長期以來，量子中繼方案被認(rèn)為是解決光纖傳輸損耗的有效途徑——通過在長距離光纖線路中設(shè)置中繼站點(diǎn)，相鄰站點(diǎn)間產(chǎn)生糾纏后再通過糾纏交換連接，可使1000公里光纖的糾纏分發(fā)效率提升100億億倍。但近30年來，一個(gè)核心技術(shù)難題始終未能突破：量子糾纏的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于糾纏建立所需的時(shí)間，導(dǎo)致相鄰糾纏無法實(shí)現(xiàn)有效連接，嚴(yán)重制約了量子中繼的可擴(kuò)展性。

圖1. 量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

針對這一痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展出長壽命囚禁離子量子存儲(chǔ)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，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程囚禁離子間的長壽命量子糾纏。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該糾纏壽命達(dá)到550±36毫秒，顯著超過糾纏建立所需的450毫秒，這一差值為糾纏交換、多級連接提供了關(guān)鍵的時(shí)間窗口，徹底解決了糾纏無法有效連接的難題。

圖2. 量子中繼原理圖。（1）近鄰中繼節(jié)點(diǎn)之間（例如A與B、B與C之間等）通過光子干涉建立糾纏。（2）在節(jié)點(diǎn)B執(zhí)行糾纏交換，可以在節(jié)點(diǎn)A和C之間建立糾纏，以此類推。（3）通過多級糾纏交換將糾纏距離逐級擴(kuò)展，最終在最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)A和K之間建立糾纏。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在10公里光纖傳輸場景下，實(shí)現(xiàn)了Bell態(tài)保真度大于0.90的高保真糾纏分發(fā)，充分驗(yàn)證了該方案在噪聲抑制、信號傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)異性能。為進(jìn)一步提升方案的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)還通過自旋回波與動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)，有效抑制了囚禁離子的退相干效應(yīng)，確保糾纏態(tài)在傳輸和存儲(chǔ)過程中的穩(wěn)定性，為后續(xù)構(gòu)建多級量子中繼鏈路提供了可靠保障。該成果的核心價(jià)值在于，將量子中繼從“理論可行”推向“物理可實(shí)現(xiàn)”，成功構(gòu)建了可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，不僅解決了近30年來困擾量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的核心瓶頸，更為后續(xù)多級量子中繼組網(wǎng)、遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)部署提供了核心技術(shù)支撐，是量子網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域從基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用探索的重大跨越，對推動(dòng)全球量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有里程碑式的意義。

圖3. 可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊原理圖。（1）實(shí)驗(yàn)由長壽命囚禁離子量子儲(chǔ)存器、高效率量子頻率轉(zhuǎn)換模塊與高對比度單光子干涉模塊組成。（2）糾纏建立速率為2.226赫茲，即等待時(shí)間約450毫秒。（3）糾纏壽命約550毫秒。

Science：突破百公里級器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)，邁向?qū)嵱没踩ㄐ?/strong>

僅隔三天，2月6日，潘建偉團(tuán)隊(duì)再次發(fā)力，與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、新加坡國立大學(xué)、加拿大滑鐵盧大學(xué)等單位合作，以“Device-independent quantum key distribution over 100 km with single atoms”為題，在《Science》發(fā)表另一項(xiàng)重磅成果——基于單原子節(jié)點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了100公里光纖鏈路下的器件無關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD），較國際此前最好實(shí)驗(yàn)水平提升兩個(gè)數(shù)量級，完成了該技術(shù)從“概念驗(yàn)證”到“實(shí)用化”的關(guān)鍵跨越。

這一突破刷新了DI-QKD傳輸距離紀(jì)錄，破解了其實(shí)用化核心障礙，為城域及城際高安全量子通信提供了可行方案，并與《Nature》量子中繼成果互補(bǔ)，共同推動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建邁入新階段。

圖4. 百公里DI-QKD實(shí)驗(yàn)示意圖。兩端節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單原子通過里德堡單光子生成過程發(fā)射光子，光子經(jīng)長距離光纖傳輸至中間節(jié)點(diǎn)并發(fā)生干涉。在探測到預(yù)報(bào)事件后，兩端原子被投影到遠(yuǎn)距離糾纏態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)糾纏分發(fā)。隨后兩端對原子進(jìn)行隨機(jī)基測量，測量結(jié)果用于貝爾不等式檢驗(yàn)以驗(yàn)證安全性，并在通過檢驗(yàn)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理生成安全密鑰。

編輯、審核：石瑾鵬

版權(quán)聲明：本文由“TOP大學(xué)來了”綜合自“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、nature、science等”，文章轉(zhuǎn)摘只為學(xué)術(shù)傳播，如涉及侵權(quán)問題，請聯(lián)系我們，我們將及時(shí)修改或刪除。