中科大首次實現(xiàn)基于吸收型存儲器的量子中繼基本鏈路

中國神話傳說中，每年農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，就能把橋搭得更快，牛郎和織女也能更早見面。那么有可能實現(xiàn)更快搭橋嗎？在科學家眼中，這其實是一個通信問題

北京時間 6 月 2 日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組，首次實現(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分離的量子節(jié)點分別是牛郎和織女，這條量子中繼基本鏈路就是鵲橋，中科大團隊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)絡的建設提供全新實現(xiàn)方案。

相關論文以《基于吸收型存儲的可預報量子糾纏分發(fā)》（Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories）為題發(fā)表在 Nature 上，并且是當期封面文章，其中周宗權擔任共同通訊作者，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時間模式的并行復用，獲得了四倍加速的糾纏分發(fā)速率，經過實驗驗證，通過貝爾態(tài)測量預報兩個節(jié)點之間的糾纏保真度超過 80%?！盢ature 審稿人評價該工作稱：“這是在地面上實現(xiàn)遠距離量子網(wǎng)絡的一項重大成就”“將為接下來的研究奠定基礎”，并表示相關 “實驗在量子中繼應用中具有一系列的優(yōu)勢，比如多模式復用?！?/p>

多年來，全球科學界都在為構建全球性量子通信網(wǎng)而努力。假如兩個量子發(fā)生糾纏，一個有變化，另一個瞬間也會變。依靠這種現(xiàn)象，無論兩點之間距離有多遠，人類都有希望實現(xiàn)量子通信，但當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光子，竟要耗時三百年才能接收到一個光子。

后來，量子中繼的思想被提出，其核心是把遠距離傳輸分為多個短距離傳輸，然后在基本鏈路的兩個臨近節(jié)點間建立可預報的量子糾纏，再通過糾纏交換技術來逐步擴大量子糾纏的距離。

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在于，無法同時支持高效率糾纏光子發(fā)射以及多模式復用技術。而基于吸收型存儲器的量子中繼可以克服這個困難。多年來，該團隊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。

遠程量子糾纏傳輸，是構建全球量子通信網(wǎng)絡的核心任務。但是，光子數(shù)在光纖中的指數(shù)衰減，導致地面的直接傳輸距離被局限在一百公里之內。

量子中繼傳輸速度主要受到哪些因素影響？

周宗權表示，量子中繼的傳輸速率，會受到很多因素的影響，量子中繼的邏輯結構設計、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基本原理所限制，所以提升速率的關鍵，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，吸收型存儲器可同時滿足這兩個訴求。 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致傳輸速率降低。對量子存儲器來說，存儲時間、存儲效率和多模式復用能力等指標非常重要。而對量子糾纏光源來說，發(fā)射速率、收集效率等指標對傳輸速率也影響很大。

多模式復用可提高糾纏傳輸速率

周宗權解釋稱，多模式復用能提高糾纏的傳輸速率，類似光纖通信中的時分復用及波分復用技術可以提高通信速度。而在該研究的實驗里，多模式是指的時間模式，即處于不同時間范圍的光子。

在一個量子中繼的基本鏈路中，兩端節(jié)點的糾纏建立會面臨如下挑戰(zhàn)，每次嘗試時如果只有一個模式，那么在該周期內，一個節(jié)點只能發(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行再嘗試。

如果有多個模式，每個模式的光子都能進行糾纏建立。并且，只要有一對光子成功建立糾纏，兩個節(jié)點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 個模式數(shù)，就能將糾纏分發(fā)的速率提高 N 倍。

據(jù)悉，該團隊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中，量子光源和量子存儲器是相獨立的，因此該架構可同時兼容確定性量子光源和多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

經過三年多的努力，該團隊使用吸收型量子存儲器演示了量子中繼的基本鏈路。兩個分離的量子節(jié)點、以及中間站點貝爾態(tài)測量裝置，可組成一個基本鏈路。每個量子節(jié)點中，除了 “牛郎”“織女” 量子存儲器之外，各自還有一個糾纏光子對。

研究中，周宗權使用量子存儲器捕獲、并存儲糾纏光子對中的一個光子，每對糾纏光子中的另一個光子，可通過光纖被傳輸?shù)街虚g站點 “鵲橋”，然后進行貝爾態(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” 的兩個分離的量子節(jié)點，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，周宗權告訴 DeepTech，“牛郎” 和 “織女” 所用的量子存儲器本質上是一樣的，它們就是一個中繼鏈路的末端兩個節(jié)點。

這里用的是糾纏交換技術，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，只需成功進行一次投影測量，就能 “預報” 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 “鵲橋” 除了能建立量子存儲器之間的糾纏，還能預報這種糾纏，即知道糾纏何時建立成功，這對量子中繼來說可謂至關重要。因為下一步的糾纏交換，必須在相鄰的基本鏈路都已預報糾纏、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備不同之處，周宗權告訴 DeepTech，此前量子中繼實驗使用的都是發(fā)射型量子存儲器，而本次實驗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，雖然它的結構很簡潔，但是兼容性較差。

這時，如果使用單原子系統(tǒng)，就很難進行多模式復用；如果使用原子系綜，則很難進行確定性發(fā)光。概括來說，這種傳統(tǒng)結構很難同時滿足確定性量子光源、以及多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。

而在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源與量子存儲器是互相獨立的。量子光源可采用單原子系統(tǒng)，而存儲器可使用原子系綜，所以這種架構可同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，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，周宗權在中繼鏈路中，進一步演示了多模式復用技術。

瞄準千公里乃至萬公里級量子網(wǎng)絡

目前的實驗兩個存儲器相距僅 3.5 米，而瞄準的應用目標是千公里乃至萬公里級的量子網(wǎng)絡，所以距離實際應用還需解決很多問題。

周宗權解告訴 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需求，系統(tǒng)工程比較復雜。當前，研制量子中繼的相關實驗也在不斷推進中。

下一步，周宗權和團隊將繼續(xù)提高量子存儲器的各項指標比如存儲時間和效率等，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，努力實現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)牧孔又欣^器，如果實現(xiàn)了，這將是量子中繼走上實用化的重要標志之一。

其表示，量子中繼一旦走向實用化，就能在地面上利用現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡，在遠距離的兩點分發(fā)量子糾纏，可支持量子密鑰分發(fā)、量子計算機互聯(lián)、分布式量子精密測量等所有已知的量子信息應用。 舉例來說，量子計算機之間如何傳輸 100 個量子位的糾纏態(tài)？如果全部轉化為經典數(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個光子，所以需要建立量子網(wǎng)絡，以直接傳輸量子態(tài)的方法來建立量子計算機的互聯(lián)。

目前的光纖量子密鑰分發(fā)在 500km 以內，如果能基于量子中繼建立大尺度量子網(wǎng)絡，則可以實現(xiàn)基于物理學原理安全的千公里級通信。

周宗權表示：“利用吸收型量子存儲器有望在未來實現(xiàn)高效率的量子中繼和量子網(wǎng)絡，進一步推動量子世界里‘牛郎與織女’的順利通信?！?/p>

下一步，該團隊將繼續(xù)提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶嵱没孔又欣^器。

原文標題：中科大90后團隊搭建 “量子鵲橋”，可將量子通信速率提升四倍，相關研究登上 Nature 封面 | 專訪

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責任編輯：haq