漫解：中国科大成功实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠- 大数跨境

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漫解：中国科大成功实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠

两江科技评论

2020-02-15

导读：中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作，在量子中继与量子网络方向取得重大突破。

作者 | sheldon等
来源 | 墨子沙龙中国科学技术大学蔻享学术

研究背景

生活好了，人的要求也提高了。要是搁以前，“楼上楼下电灯电话”，做梦都要笑醒。现在可不行。电影要看3D了，手机要连5G了，送快递要用无人机器了，就连厕所的马桶盖都要自带暖气了。于是，科学家也开始觉得现有的远距离量子纠缠方案，可应用的范围不够大。

构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的终极目标之一，国际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来实现广域大尺度覆盖，通过光纤网络来实现城域及城际的地面覆盖。然而受限于光信号在光纤内的指数衰减，最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。将远距离点对点传输改为分段传输，并采用量子中继技术进行级联，有望进一步大幅拓展安全通信距离，并使得构建全量子网络成为可能。

创新研究

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作，在量子中继与量子网络方向取得重大突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际知名学术期刊《自然》上。

DOI: 10.1038/s41586-020-1976-7

实验方案示意图

实验原理

一、让俩粒子发生相互作用

二、进行特殊测量

受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈，此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题，团队主要在三方面开展了技术攻关：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（10^-17.5），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（795 nm）转换至通信波段（1342 nm），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，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。

简单来说：

第一招：让俩粒子发生相互作用。这个道理很简单。假如有一个原子，有一个光子。用光照一下原子，它们就有一定概率产生量子纠缠。研究组的第一步就是这么做的。

第二招：进行特殊测量。这有点儿像，你脚底打滑摔了一跤。我可以说是你主动撞地球了，你可以说不知道咋回事，是地球主动撞你了。到底是谁主动，这是个相对的概念；你从不同的角度看，结论就会不一样。

俩粒子的关系也是一样的。你要是从一个角度看，这俩粒子没纠缠。你要是从另一个角度看，俩粒子居然同时处于2种相互矛盾的纠缠态。

这个时候，科学家只要从纠缠的角度进行测量，就会让这俩粒子真的产生纠缠。研究组的第二步就是这么做的。

所以，研究组就是通过联合使用这两招，让相距50千米的两个原子形成了量子纠缠。不过，实验的具体原理很复杂。这就相当于网上那个画马的教程，我刚说了开头怎么画，现在要踩油门，进行思维加速了，直接跳到马画好的样子了。

但是，以上说的办法不能直接用。因为俩原子不在一个地，不可能直接发生相互作用，所以第一招不能直接用。俩原子不在一个地，不可能同时对他们测量，所以第二招也不能直接用。

这就好比俩黑帮谈判。俩大哥不在一个地，但是可以派俩小弟到一个地谈，谈完了大哥再签字承认不就完了？所以，我们可以让俩原子派俩小弟，让这俩小弟跑到一个地接受测量。由于量子纠缠有个特性，就是俩粒子结拜兄弟了，存在很强的关联。你要是测了其中一个，就等于同时测了俩。你要是让俩小弟跟大哥之间有纠缠，那么如果俩小弟之间形成了新的纠缠，就可以同时让俩大哥之间也形成新的纠缠。

所以，研究组先是用第一招，让A地和B地的两个原子，分别和两个光子形成量子纠缠。这俩光子就是小弟。

然后，研究组让俩光子来到A和B的中间，然后通过第二招，让它们形成新的量子纠缠。

于是，另外俩原子也同时被测量搞得形成新的纠缠了。

不过，这只是研究组使用的第一种方法，叫作“双光子” 方案。

在此基础上，研究组还使用了另一种“单光子”方案，并将纠缠距离延长到了50千米。这两种方案的思路是一样的，只是光子和原子纠缠的具体形式不同。在这个方案中，纠缠中的光子处于一种“既生又死”的叠加态中。

虽然这么做会增加实验难度，但也有好处。这俩“半死不活的光子”只要有一个活着把信儿送到，纠缠就能形成。因此，“单光子”方案的纠缠成功率更高。于是，量子纠缠终于成功出村了！

可是，这俩原子才距离50千米，也就是出了村刚到乡里。

其实，这里的关键在于，原子不会乱跑，是一种不动产。它可以像互联网的中继器一样，老老实实待在一个地方，收到信息就存起来，需要发送的时候再发出去，不会动不动玩消失，也不会只用一次就坏了。

这是整天乱跑的光子做不到的。

所以，这个实验相当于说，他们做出了一个能出村的1量子比特的中继器。将来要去市里、省里都好办，多弄几个量子比特，再多弄几个交换器，一个节点一个节点连过去就好了。

实验评价

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（these are certainly outstanding results, and steps forward for the work that needs to be carried out to implement quantum repeaters）”，“将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展（bringing the operation of these systems to metropolitan distances is a major advance on the field）”。当前实验中两台量子存储器位于同一间实验室内，团队接下来将通过发展独立激光的相位同步等技术来实现真正远距离分开的双节点实验。上述工作与该团队之前实现的多节点纠缠技术，基于里德堡的确定性纠缠技术，以及百毫秒存储技术等相结合，将极大地推动量子中继和全量子网络的实验研究。

DOI: 10.1038/s41586-020-1976-7

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

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两江科技评论编辑部