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登上Nature,中国量子中继技术取得重大突破

AI前线 · 2020-02-14
本次实验向实现量子中继迈出了重要一步。

编者按:本文来自微信公众号 AI前线 (ID:ai-front),36氪经授权发布。

整理 | 钰莹

登上Nature,中国量子中继技术取得重大突破

近日,中国研究团队在英国《自然》杂志发表新论文介绍,他们成功在两个由 50 公里长光纤连接的量子存储器间实现量子纠缠,为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。这项研究由中国科学技术大学、济南量子技术研究院以及中国科学院上海微系统与信息技术研究所合作开展。

50 公里通信距离:足够连接两座城市

实验中,研究团队结合多项新技术,成功在两个由 50 公里长光纤连接的量子存储器间实现双节点的量子纠缠,这一距离足以用于连接两座城市。

团队表示,学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道实现广域覆盖,同时利用光纤网络实现城域及城际地面覆盖。然而光子在光纤上的节点间传输时,受限于光纤的固有衰减,目前 最远的点对点地面安全通信距离 仅为百公里量级。

登上Nature,中国量子中继技术取得重大突破

实验方案示意图

研究负责人之一、中国科学技术大学的潘建伟教授表示,要拓展量子通信的距离,一个方法是将点对点传输改为分段传输,并采用量子中继技术进行级联,即将整个通信线路分几段,每段损耗都较小,再通过量子中继器将这几段连接起来,这使得构建全量子网络成为可能。

然而,受限于光与原子纠缠亮度低等技术瓶颈,此前最远光纤量子中继仅为公里量级。

实现量子中继的重要一步

为实现远距离量子存储器间的连接,团队克服了多项技术挑战。首先,采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合,并优化光路传输效率,将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级。

其次,由于原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为 3.5dB/km,在 50 公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一,使得量子通信无法实现,团队自主研发周期极化铌酸锂波导,通过 非线性差频过程,将存储器的光波长由近红外转换至通信波段,经过 50 公里的光纤仅衰减至百分之一以上,效率相比之前提升了 16 个数量级。

最后,为实现远程单光子干涉,研究团队设计并实施了双重相位锁定方案,成功地把经过 50 公里光纤的传输后引起的光程差控制在 50nm 左右。

通过多种技术的结合,研究团队最终实现了经由 50 公里光纤传输的双节点纠缠,并演示了经由 22 公里外场光纤的双节点纠缠。 该工作得到《自然》审稿人的高度评价“该结果是非常杰出的,向实现量子中继方向迈出了重要一步,将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展。

量子通信进展

所谓量子通信,从概念角度来讲就是利用量子介质的信息传递功能进行通信的一种技术,主要包括量子密钥分配、量子隐形传态等技术。

量子密码 (Quantum Cryptography) 是利用量子力学属性开发的密码系统。与传统的密码系统不同的是,其安全性依赖于量子力学属性(不可测量和不可克隆等)而不是数学的复杂度理论。目前,量子密钥分配是研究最为成熟的量子密码技术。

在国内,2004 年,郭光灿团队就完成了途径北京望京—河北香河—天津宝坻的量子密钥分配,距离 125km。2008 年,潘建伟团队建成基于商用光纤和诱骗态相位编码的 3 节点量子通信网络,节点间距离达 20km,能实现实时网络通话和 3 方通话。

2009 年,郭光灿团队建成世界上第一个“量子政务网”。同年 9 月,中国科技大学建成世界上第一个 5 节点全通型量子通信网络,实现实时语音量子密码通信。

2011 年 5 月,王建宇团队研发出兼容经典激光通信的“星地量子通信系统”,实现了星地之间同时进行量子通信和经典激光通信。

2012 年2月17日,合肥市城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段,具有 46 个节点,光纤长度 1700km,通过 6 个接入交换和集控站,连接 40 组“量子电话”用户和 16 组“量子视频”用户。

2013 年 5 月,中科院在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面试验。同年 11 月,济南量子保密通信试验网建成,包括三个集控站、50 个用户节点。

2015 年 12 月,中国科学院、中国科学技术大学和科大国盾量子等机构在北京共同发起组建了“中国量子通信产业联盟”。同年,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”被欧洲物理学会新闻网站《物理世界》评为年度突破。潘建伟小组于 2007 年在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发,成功解决了非理想单光子源带来的安全漏洞,但在理论上,仍然存在安全隐患。

2013 年,潘建伟小组发展了独立激光光源的干涉技术,并与美国斯坦福大学联合开发转换探测器,结合清华大学马雄峰教授的理论分析,在国际上首次实现测量器件无关的量子密钥分发,成功解决现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患,并大大提高现实量子密钥分发系统的安全性。目前,合肥、济南、乌鲁木齐、芜湖等城市已成功搭建城域实验网。其中,合肥城域量子通信试验示范网已成功研发出成系列的量子通信网络终端设备、量子通信微光探测核心器件、量子通信网控设备等产品,实现了核心器件小型化、终端产品高集成化等重要目标。

在 2016 年 8 月 16 日,我国发射首颗“墨子号”量子卫星,这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了新的一步。

2020 年 2 月份,郭光灿院士团队在量子通信实验研究中取得重要进展,该实验室李传锋、柳必恒等人与香港大学理论物理学家合作,首次实现量子信道因果序的相干叠加,证实这种非定序因果结构相比标准的量子香农理论在传输经典信息和量子信息上都具有优势,该成果 1 月 24 日发表在国际物理学著名学术期刊《物理评论快报》上。该工作是国际上首个利用量子信道因果序的相干叠加实现超越标准量子香农理论的量子通信的原理性实验验证,是香农理论二次量子化的重要一步。

登上Nature,中国量子中继技术取得重大突破

非定序因果结构信道的信息传输实验装置图

过往,量子通信的重要意义吸引了各国科研机构的高度关注,IBM、NIST、Battelle、NTT、东芝、西门子等公司和机构一直密切关注其发展并投资相关研究。英国政府在 2013 年发布了为期 5 年的量子信息技术专项,投入 2.7 亿英镑用于量子通信和量子计算等方面的研究成果转化,促进新应用和新产业的形成。国外成立了多个专门从事量子通信技术成果转化和商业推广的实体公司。例如美国的 MagiQ 公司和瑞士日内瓦大学成立的 idQuantique 公司等,能够提供 QKD 量子通信的商用化器件、系统和解决方案。法国电信研究院成立的 SeQureNet 公司从事连续变量量子密钥分发产品的开发。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室成立了 Qubittek 公司,主攻智能电网安全通信领域。

国内开展量子通信相关研究的代表性机构包括中国科学技术大学、中国科学院微系统所和技术物理所、清华大学、山西大学和南京大学等。以中国科学技术大学相关研究团队为核心发起成立了科大国盾量子、安徽问天量子和山东量子等产业化实体,进行量子通信前沿研究成果向应用技术和用化产品的转化,国家对量子通信领域持续的专项投入和政策扶持为其发展提供了强大动力。

参考链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-1976-7

http://www.cas.cn/syky/202002/t20200213_4734442.shtml

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