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)隊在實驗室中實現(xiàn)了長距離的量子糾纏，兩種實驗方案分別實現(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，這一實驗成果及實驗中采用的相關(guān)技術(shù)或為實現(xiàn)多節(jié)點、遠(yuǎn)距離量子糾纏鋪平道路，將是實現(xiàn)長距離量子通信網(wǎng)的重要一步。2 月 13 日，實驗結(jié)果以論文形式發(fā)表在 Nature 上。

　　一、讓量子糾纏再遠(yuǎn)一些

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

　　在量子計算和量子通信領(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，在實現(xiàn)量子糾纏之后，科學(xué)家們一直致力實現(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 課題組在兩個距離 1.3 公里的金剛石色心系統(tǒng)間驗證了量子糾纏，也初次驗證了遠(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)。

　　但是在本次實驗中，由中科大潘建偉教授、包小輝教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊創(chuàng)新地將幾種技術(shù)結(jié)合在一起，并有針對性地解決了長期以來存在于遠(yuǎn)距離量子糾纏的難題，實現(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 采訪時說道：“本次實驗的主要創(chuàng)新點在于，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)，以及實現(xiàn)了存儲器光源經(jīng)由長光纖傳輸后的遠(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)過某段時間一起時的相互作用后，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)。但是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是將兩個量子糾纏系統(tǒng)分離很遠(yuǎn)就可以了。

　　如今，實現(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，首先需要創(chuàng)造一對量子糾纏系統(tǒng)，接著建立遠(yuǎn)距離的連接，最后驗證它們之間量子糾纏的正確性就行了。看似十分簡單，但是實現(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驗室內(nèi)選取銣原子團(tuán)制作兩個獨立的量子存儲器，再建立兩對光與原子糾纏，即每個量子存儲器放出一個光子，這個光子與原子團(tuán)是糾纏的。之后將兩個存儲器給出的光子經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后進(jìn)行干涉測量，量子糾纏就會在兩個量子存儲器間建立起來，而量子存儲器原始的狀態(tài)也被存儲起來。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，在本次實驗中，兩個獨立的量子系統(tǒng)的直線物理距離只有 0.6 米——就在一個實驗室內(nèi)，連接它們的其實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)隊的研究成果。

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　　接著，研究團(tuán)隊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)隊在兩個量子存儲器都設(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數(shù)量級。其中，腔增強(qiáng)光路是研究團(tuán)隊自主研制，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，原子存儲器對應(yīng)的光波長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現(xiàn)。

　　對此，包小輝介紹：“研究團(tuán)隊自主研發(fā)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，通過非線性差頻過程，將存儲器的光波長由近紅外（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 個數(shù)量級。”簡單而言，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，本次實驗將多種技術(shù)融合實現(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。實驗中使用的多項技術(shù)和創(chuàng)新思維也體現(xiàn)了潘建偉團(tuán)隊多年科研的技術(shù)沉淀。

　　量子計算和量子通信領(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重大突破。此次的實驗對于實現(xiàn)量子通信具有十分重要的意義。

　　但是，實現(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器可能是新的研究方向，并且這對于實現(xiàn)高級量子通信的應(yīng)用有重大意義。而本次實驗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。

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