剛剛，量子糾纏技術(shù)又傳來好消息。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離的量子糾纏，兩種實(shí)驗(yàn)方案分別實(shí)現(xiàn)了 22 公里和 50 公里的量子糾纏，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

　　50 公里的距離足以連接兩座城市，這一實(shí)驗(yàn)成果及實(shí)驗(yàn)中采用的相關(guān)技術(shù)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離量子糾纏鋪平道路，將是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信網(wǎng)的重要一步。2 月 13 日，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以論文形式發(fā)表在 Nature 上。

　　一、讓量子糾纏再遠(yuǎn)一些

　　從計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史來看，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)距離通信技術(shù)是必不可少的。

　　在量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域來說，量子糾纏能夠?qū)崿F(xiàn)的不僅僅是利用量子比特的特性，進(jìn)行多狀態(tài)和加密信息傳輸，還應(yīng)具有長(zhǎng)距離的通信能力。量子通信最終的應(yīng)用就是傳輸信息，在實(shí)現(xiàn)量子糾纏之后，科學(xué)家們一直致力實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏及相關(guān)信息傳輸?shù)膽?yīng)用，但科學(xué)家們一直苦于不知如何讓其更遠(yuǎn)一些。

　　事實(shí)上，遠(yuǎn)距離糾纏在過去二十年中取得了顯著的進(jìn)展。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離糾纏，此前一般的做法是需要讓糾纏光子在光纖上的節(jié)點(diǎn)之間傳輸或通過衛(wèi)星傳輸。但是，嚴(yán)重的傳輸損耗限制了光子分發(fā)的成功率，也限制了量子糾纏的距離。2015 年，代爾夫特理工大學(xué)（Technische Universiteit Delft）Ronald Hanson 課題組在兩個(gè)距離 1.3 公里的金剛石色心系統(tǒng)間驗(yàn)證了量子糾纏，也初次驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離量子糾纏的可行性。但是這樣的距離并不足以支持建立遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)或者量子互聯(lián)網(wǎng)。

　　但是在本次實(shí)驗(yàn)中，由中科大潘建偉教授、包小輝教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地將幾種技術(shù)結(jié)合在一起，并有針對(duì)性地解決了長(zhǎng)期以來存在于遠(yuǎn)距離量子糾纏的難題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的量子糾纏。

　　研究參與者之一、中科大教授包小輝在接受 Deeptech 采訪時(shí)說道：“本次實(shí)驗(yàn)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于，發(fā)展了適應(yīng)于光纖內(nèi)低損傳輸?shù)母咝Ч馀c原子糾纏技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器光源經(jīng)由長(zhǎng)光纖傳輸后的遠(yuǎn)程干涉。”

　　二、自研關(guān)鍵器件，大幅降低了衰減

　　從理論上來說，量子糾纏是指兩粒粒子經(jīng)過某段時(shí)間一起時(shí)的相互作用后，假設(shè)量子態(tài)沒被破壞，無論之后分開了多遠(yuǎn)，它們最后被觀察出來的形態(tài)雖然根據(jù)量子力學(xué)是隨機(jī)，但兩者間永遠(yuǎn)都存在著關(guān)聯(lián)。但是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是將兩個(gè)量子糾纏系統(tǒng)分離很遠(yuǎn)就可以了。

　　如今，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏的方式與遠(yuǎn)距離通信相類似，建立發(fā)射端、接收端和它們之間的連接。映射到量子糾纏上來說，首先需要?jiǎng)?chuàng)造一對(duì)量子糾纏系統(tǒng)，接著建立遠(yuǎn)距離的連接，最后驗(yàn)證它們之間量子糾纏的正確性就行了?？此剖趾?jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來還是存在很多困難的。

　　首先，要建立有效的量子糾纏。據(jù)包小輝介紹，研究團(tuán)隊(duì)是采用 “糾纏交換” 這一技術(shù)完成量子糾纏的建立。具體思路是在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選取銣原子團(tuán)制作兩個(gè)獨(dú)立的量子存儲(chǔ)器，再建立兩對(duì)光與原子糾纏，即每個(gè)量子存儲(chǔ)器放出一個(gè)光子，這個(gè)光子與原子團(tuán)是糾纏的。之后將兩個(gè)存儲(chǔ)器給出的光子經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后進(jìn)行干涉測(cè)量，量子糾纏就會(huì)在兩個(gè)量子存儲(chǔ)器間建立起來，而量子存儲(chǔ)器原始的狀態(tài)也被存儲(chǔ)起來。比較類似于兩國都派出使節(jié)在中立國進(jìn)行談判，而且雙方建立了友好關(guān)系。

　　值得注意的是，在本次實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)獨(dú)立的量子系統(tǒng)的直線物理距離只有 0.6 米——就在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，連接它們的其實(shí)是從位于安徽省合肥市的中國科技大學(xué)到軟件園的兩條平行的光纖。而圖中 “Middle Station” 中包含超導(dǎo)納米線傳感器，用于光子經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后進(jìn)行干涉測(cè)量，這已經(jīng)是量子中繼站的一種存在形式了，而這樣的設(shè)置也是此前潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果。

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　　接著，研究團(tuán)隊(duì)采用兩種自主研制技術(shù)解決了連接中的高損耗問題。

　　第一，從源頭出發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)量子存儲(chǔ)器都設(shè)置了環(huán)形腔增強(qiáng)（Cavity Enhancement）技術(shù)來提升單光子與原子系綜間耦合，并優(yōu)化光路傳輸效率，將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，腔增強(qiáng)光路是研究團(tuán)隊(duì)自主研制，主要的思路是提升單光子與原子系綜間的耦合并降低腔內(nèi)損耗，最終實(shí)現(xiàn)的腔內(nèi)原子態(tài)至光子態(tài)轉(zhuǎn)化效率為 90% 左右。

　　第二，研究團(tuán)隊(duì)選擇光纖作為連接介質(zhì)，以光作為傳輸信息的載體。但是，原子存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)在光纖中的損耗約為 3.5dB/km，在 50 公里光纖中，衰減將達(dá)到十億億倍（具體衰減倍數(shù)為 10 的 17.5 次方），使得量子通信無法實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)此，包小輝介紹：“研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，通過非線性差頻過程，將存儲(chǔ)器的光波長(zhǎng)由近紅外（795 nm）轉(zhuǎn)換至通信波段（1342 nm），將 50 公里的光纖衰減降低到百倍以內(nèi)，相比之前提升了 16 個(gè)數(shù)量級(jí)。”簡(jiǎn)單而言，就是將原來要傳輸?shù)墓庾宇l率改變了，變換為傳輸衰減較小的通信波段頻率，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的量子糾纏。這樣的變頻設(shè)置就和我們?nèi)粘Ｋ姷淖儔浩骱茴愃疲趥鬏旊娔軙r(shí)將電壓升高以降低輸電線中損耗的能量。

　　三、多種技術(shù)的融合

　　總的來說，本次實(shí)驗(yàn)將多種技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的量子通信，其中創(chuàng)造性地采用了 “腔增強(qiáng)” 和“變頻”等技術(shù)，將多年未懸而未決的高損耗難題解開。實(shí)驗(yàn)中使用的多項(xiàng)技術(shù)和創(chuàng)新思維也體現(xiàn)了潘建偉團(tuán)隊(duì)多年科研的技術(shù)沉淀。

　　量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域無疑是近幾年來科研界最炙手可熱的領(lǐng)域之一了，基本都是一年好幾個(gè)重大突破。此次的實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子通信具有十分重要的意義。

　　但是，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這一步，潘建偉、包小輝領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)在論文的最后也提到將量子糾纏的距離進(jìn)一步拉遠(yuǎn)和引入多種量子存儲(chǔ)器可能是新的研究方向，并且這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高級(jí)量子通信的應(yīng)用有重大意義。而本次實(shí)驗(yàn)中采用的類似量子中繼站的形式也能進(jìn)一步拓寬量子糾纏的跨度。

　　本次實(shí)驗(yàn)的論文是 2019 年 3 月 26 日投稿，距今已經(jīng)快一年的時(shí)間，相信中國科學(xué)家還會(huì)給我們帶來新的驚喜，2020 年的量子信息技術(shù)值得期待！