中國神話傳說中,每年農(nóng)歷七夕借助一座鵲橋,牛郎織女得以見一面。試想一下,如果喜鵲飛快點(diǎn),就能把橋搭得更快,牛郎和織女也能更早見面。那么有可能實(shí)現(xiàn)更快搭橋嗎?在科學(xué)家眼中,這其實(shí)是一個(gè)通信問題
北京時(shí)間 6 月 2 日,中國科學(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:“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)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,通過貝爾態(tài)測量預(yù)報(bào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度超過 80%。”Nature 審稿人評價(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,比如多模式復(fù)用。”
多年來,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)瞬間也會變。依靠這種現(xiàn)象,無論兩點(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,牛郎織女可以每年一會,而光纖每秒發(fā)射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,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,再通過糾纏交換技術(shù)來逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。
其中,量子存儲器是量子中繼的核心器件,可用于儲存光子糾纏態(tài),在相鄰存儲器糾纏成功之后,量子存儲器就能執(zhí)行下一步糾纏交換。
此前,相關(guān)研究大多使用發(fā)射型量子存儲器。使用這種存儲器的缺點(diǎn)在于,無法同時(shí)支持高效率糾纏光子發(fā)射以及多模式復(fù)用技術(shù)。而基于吸收型存儲器的量子中繼可以克服這個(gè)困難。多年來,該團(tuán)隊(duì)一直在研究吸收型量子存儲器,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發(fā)射概率,以及不可避免的傳輸以及器件損耗。針對糾纏光源的發(fā)射概率,使用能以 100% 幾率發(fā)射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,如量子存儲器、量子糾纏光源、單光子探測器等,每種器件的不完美都會導(dǎo)致傳輸速率降低。對量子存儲器來說,存儲時(shí)間、存儲效率和多模式復(fù)用能力等指標(biāo)非常重要。而對量子糾纏光源來說,發(fā)射速率、收集效率等指標(biāo)對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)只能發(fā)射一對光子來嘗試建立糾纏。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,只要有一對光子成功建立糾纏,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏也會成功建立,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)長期研究基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲器,在基于這種存儲器的量子中繼架構(gòu)中,量子光源和量子存儲器是相獨(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)過三年多的努力,該團(tuán)隊(duì)使用吸收型量子存儲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” 量子存儲器之外,各自還有一個(gè)糾纏光子對。
研究中,周宗權(quán)使用量子存儲器捕獲、并存儲糾纏光子對中的一個(gè)光子,每對糾纏光子中的另一個(gè)光子,可通過光纖被傳輸?shù)街虚g站點(diǎn) “鵲橋”,然后進(jìn)行貝爾態(tài)測量(Bell-state measurement),測量過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),就算不見面也能成功建立糾纏。
談及“牛郎”“織女” 所使用的量子存儲器的不同,周宗權(quán)告訴 DeepTech,“牛郎” 和 “織女” 所用的量子存儲器本質(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 沒有發(fā)生過直接作用,但是對 B 和 C 執(zhí)行貝爾態(tài)投影測量,只需成功進(jìn)行一次投影測量,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,這對量子中繼來說可謂至關(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。
說到本次研究所用量子存儲設(shè)備不同之處,周宗權(quán)告訴 DeepTech,此前量子中繼實(shí)驗(yàn)使用的都是發(fā)射型量子存儲器,而本次實(shí)驗(yàn)使用的是吸收型量子存儲器。發(fā)射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發(fā)射出來的,雖然它的結(jié)構(gòu)很簡潔,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。概括來說,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器的量子中繼架構(gòu)中,量子光源與量子存儲器是互相獨(dú)立的。量子光源可采用單原子系統(tǒng),而存儲器可使用原子系綜,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。基于這種架構(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)千公里乃至萬公里級量子網(wǎng)絡(luò)
目前的實(shí)驗(yàn)兩個(gè)存儲器相距僅 3.5 米,而瞄準(zhǔn)的應(yīng)用目標(biāo)是千公里乃至萬公里級的量子網(wǎng)絡(luò),所以距離實(shí)際應(yīng)用還需解決很多問題。
周宗權(quán)解告訴 DeepTech,對于量子光源、量子存儲、探測器和信道穩(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)提高量子存儲器的各項(xiàng)指標(biāo)比如存儲時(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)嵱没湍茉诘孛嫔侠矛F(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)、分布式量子精密測量等所有已知的量子信息應(yīng)用。 舉例來說,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通信。
周宗權(quán)表示:“利用吸收型量子存儲器有望在未來實(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。
原文標(biāo)題: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
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