首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏

從清華新聞網(wǎng)獲悉，4月20日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授研究組在《科學(xué)》期刊子刊《科學(xué)·進(jìn)展》上，發(fā)表了題為“25個(gè)可獨(dú)立操控的量子接口之間糾纏的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)”的研究論文。該項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，相比于先前加州理工學(xué)院研究組保持的4個(gè)量子接口之間糾纏的世界紀(jì)錄在接口數(shù)量上提高了約6倍。此項(xiàng)研究成果將對(duì)量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，被評(píng)價(jià)為“構(gòu)建第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中的一個(gè)重要的里程碑”。

▲二維原子系綜量子接口陣列之間產(chǎn)生和驗(yàn)證量子糾纏的實(shí)驗(yàn)裝置圖

量子接口（Quantum interfaces）用于實(shí)現(xiàn)量子信息在光子和存儲(chǔ)粒子（通常為原子）之間的相干轉(zhuǎn)化，是連接量子存儲(chǔ)器或量子計(jì)算單元與光量子通信通道間的重要界面。類似于經(jīng)典接口的廣泛應(yīng)用，量子接口是量子信息領(lǐng)域的基本元器件，實(shí)現(xiàn)量子接口之間的糾纏是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基本要求。在量子信息科學(xué)中，光子擁有最快的傳輸速度，是傳播量子信息的最佳載體，而原子擁有很長(zhǎng)的量子相干時(shí)間，被廣泛用于量子信息的存儲(chǔ)。量子接口將光子和存儲(chǔ)原子連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)量子信息在不同載體間的高效相互轉(zhuǎn)換。

構(gòu)建基于量子通信的量子網(wǎng)絡(luò)和量子互聯(lián)網(wǎng)的需求，是為了解決傳統(tǒng)電纜和光纖信息傳輸?shù)目杀桓`聽(tīng)及被竊聽(tīng)不可發(fā)現(xiàn)的缺陷，以及防范傳統(tǒng)信息加密算法（比如經(jīng)典RSA公鑰加密算法）在未來(lái)可被量子計(jì)算機(jī)快速破解的問(wèn)題上提出的。量子保密通信利用量子密鑰分發(fā)技術(shù)在通信雙方之間完成無(wú)條件安全的密鑰傳輸，使通信雙方能夠產(chǎn)生并分享一對(duì)完全隨機(jī)的密鑰。量子密鑰分發(fā)技術(shù)通過(guò)將信息調(diào)制在單個(gè)光量子態(tài)上，利用單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性，使得任何竊聽(tīng)行為都會(huì)對(duì)量子態(tài)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的擾動(dòng)被通信雙方發(fā)現(xiàn)和規(guī)避，從物理原理上保證了密鑰的不可竊聽(tīng)和不可破解，可廣泛應(yīng)用于軍事、外交、金融、電力等諸多領(lǐng)域，保障網(wǎng)絡(luò)和信息安全。

量子網(wǎng)絡(luò)將能按需產(chǎn)生任何兩個(gè)用戶之間的糾纏，這將涉及通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星鏈路發(fā)送光子。不過(guò)，將相隔很遠(yuǎn)的用戶連接起來(lái)需要一種能擴(kuò)展糾纏范圍的技術(shù)——能沿著中間點(diǎn)在用戶間轉(zhuǎn)送。然而，量子網(wǎng)絡(luò)及量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建不僅需要解決量子的遠(yuǎn)距離糾纏，還需要提升量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的范圍，這就將量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的前景變成了一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題的解決需要更復(fù)雜的量子連接與中繼方案。

▲25個(gè)原子系綜量子接口陣列中量子糾纏的驗(yàn)證

2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案，建議用原子系綜作為光子與存儲(chǔ)器之間的量子接口。得益于眾多原子和光模式之間的集體增強(qiáng)效應(yīng)，基于原子系綜的DLCZ方案是量子接口的一個(gè)理想選擇，在量子信息領(lǐng)域影響很大，國(guó)際上多個(gè)研究組致力于實(shí)現(xiàn)DLCZ型量子接口及其相互間的量子糾纏。加州理工學(xué)院的著名量子信息和量子光學(xué)專家金布爾 （Kimble）研究組曾于2010年實(shí)現(xiàn)了4個(gè)DLCZ型量子接口之間的糾纏，代表此前的國(guó)際最高水平。

▲段路明教授

為了實(shí)現(xiàn)更多量子接口間的糾纏，構(gòu)造更大的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，段路明研究組研發(fā)了新穎的二維量子接口陣列，解決了相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，可以方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子接口間的糾纏。研究人員通過(guò)光束復(fù)分技術(shù)，獨(dú)立尋址并相干調(diào)控5×5的量子接口陣列，制備了多體量子糾纏態(tài)。在25個(gè)量子接口之間，實(shí)驗(yàn)利用糾纏判據(jù)以高置信度證明至少存在22體以上的真實(shí)糾纏，刷新了量子接口糾纏數(shù)量的世界記錄。

這項(xiàng)世界記錄證明了大范圍性的量子接口間的糾纏具備實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也就是說(shuō)我們又向未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了關(guān)鍵性的一步，量子通信今后將不再只能小范圍應(yīng)用于國(guó)家、軍事、企業(yè)信息安全領(lǐng)域，也將成為每個(gè)個(gè)體信息安全的保護(hù)神。