中國科大構建可擴展量子中繼的基本模塊，實現量子網絡研究的重大突破

　　【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事在可擴展量子網絡研究方面取得重大突破。汪野、萬雍、張強、潘建偉等與濟南量子技術研究院、中國科學院上海微系統與信息技術研究所、香港大學、清華大學等的研究人員合作，構建出可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網絡成為現實可能。與此同時，包小輝、徐飛虎、張強、潘建偉等與濟南量子技術研究院、新加坡國立大學、加拿大滑鐵盧大學等的研究人員合作，實現了單原子節點間的遠距離高保真糾纏，并在此基礎上將器件無關量子密鑰分發(DI-QKD)的傳輸距離突破百公里，極大推進了該技術的實用化進程。兩項成果分別于北京時間2月3日和6日發表于國際權威學術期刊《自然》和《科學》。
 

　　上述突破是我國在量子通信與量子網絡領域繼“墨子號”量子衛星之后取得的又一里程碑式成果，標志著基于量子糾纏的光纖量子網絡正在從理論構想走向現實可能，進一步擴大了我國在該領域的國際領先優勢。
 

　　量子信息科學的終極發展目標是構建高效、安全的量子網絡：利用量子精密測量實現對信息的高精度感知、利用量子通信實現信息的安全和高效傳輸、利用量子計算實現信息的指數級加速處理，從而實現對物質世界認知能力的革命性飛躍。構建量子網絡的基本要素是遠距離確定性量子糾纏分發，基于量子糾纏，不僅可以通過量子密鑰分發實現經典信息的安全傳輸，還可通過量子隱形傳態為量子計算機與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。
 

圖1. 量子網絡示意圖
 

　　光纖的固有損耗導致量子糾纏的傳輸效率隨距離成指數衰減，成為構建可擴展量子網絡面臨的最大挑戰。例如，經過1000公里標準光纖直接傳輸后，光信號將衰減至原始強度的10-20量級(萬億億分之一)，這意味著即使每秒發射100億對糾纏光子，平均每300年才能接收到一對糾纏。
 

　　量子中繼方案是解決光纖傳輸損耗的有效方案：例如，在1000公里光纖線路中，可以每隔100公里設置一個中繼站點，在相鄰站點之間產生糾纏，再通過糾纏交換將各段糾纏連接起來以實現遙遠地點之間的有效糾纏分發。利用該方案，用同樣發射速率的光源，每秒可接收到一億對糾纏光子，傳輸效率提升100億億倍。因此，一直以來量子中繼是光纖量子網絡最重要的研究方向。
 

　　圖2. 量子中繼原理圖。(1)近鄰中繼節點之間(例如A與B、B與C之間等)通過光子干涉建立糾纏。(2)在節點B執行糾纏交換，可以在節點A和C之間建立糾纏，以此類推。(3)通過多級糾纏交換將糾纏距離逐級擴展，最終在最遠端節點A和K之間建立糾纏。
 

　　早在1998年，潘建偉及其同事就在國際上演示了量子糾纏的連接。此后，國內外研究團隊取得了一系列重要進展。但是，近30年來始終未能解決的一項重大技術難題是：糾纏的壽命遠遠短于產生糾纏所需的時間，以至于在糾纏的存活時間內，與之相鄰的糾纏難以確定性產生，因而無法實現糾纏的有效連接，嚴重制約了量子中繼的可擴展性。
 

　　針對這一核心難題，中國科大研究團隊通過發展長壽命囚禁離子量子存儲器、高效率離子-光子通信接口及高保真度單光子糾纏協議，實現長壽命量子糾纏，糾纏壽命(550毫秒)顯著超過糾纏建立所需的時間(450毫秒)，從而成功構建了可擴展量子中繼的基本模塊，使得遠距離量子網絡成為現實可能。
 

　　圖3. 可擴展量子中繼的基本模塊原理圖。(1)實驗由長壽命囚禁離子量子儲存器、高效率量子頻率轉換模塊與高對比度單光子干涉模塊組成。(2)糾纏建立速率為2.226赫茲，即等待時間約450毫秒。(3)糾纏壽命約550毫秒。
 

　　遠距離糾纏分發的一個直接應用是實現現實條件下最高安全等級的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對器件參數進行精確標定以保障現實安全性，這通常會在實際應用中帶來不便。而基于糾纏的“器件無關量子密鑰分發(DI-QKD)”方案則突破了這一限制：即使量子器件完全不可信，只要通信雙方能夠建立起足夠高品質的糾纏并驗證無漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴格保證密鑰分發的安全而無需對器件參數進行精確標定。因此，DI-QKD被量子密碼學的奠基人之一、2018年沃爾夫獎獲得者Gilles Brassard譽為“密碼學者千年來所追尋的‘圣杯’”。
 

　　然而，DI-QKD的實驗實現面臨極為嚴苛的技術門檻。遠程節點間的量子糾纏需要同時滿足以下條件：(1)具備極高的探測效率，以有效關閉探測器效率漏洞；(2)維持極高的糾纏保真度，以確保對貝爾不等式足夠顯著的違背。受限于長距離光纖損耗及系統噪聲等不利因素，國際上此前相關實驗演示大多局限于短距離范圍(通常為數米至數百米)，與實際應用需求存在顯著差距。
 

　　基于可擴展量子中繼技術，中國科大研究團隊進一步成功實現了兩個銣原子間的遠距離高保真糾纏：在最長達100公里的光纖鏈路上，原子節點間遠程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優于此前國際同類實驗結果。在此基礎上，團隊在城域尺度光纖鏈路上實現了設備無關量子密鑰分發：在11公里光纖鏈路中完成了基于有限數據量的安全性分析與嚴格證明，傳輸距離較以往最好結果提升約3000倍；在100公里光纖鏈路中演示了密鑰生成的可行性，傳輸距離較國際此前最好實驗水平提升兩個數量級以上。
 

　　圖4. 百公里DI-QKD實驗示意圖。兩端節點內的單原子通過里德堡單光子生成過程發射光子，光子經長距離光纖傳輸至中間節點并發生干涉。在探測到預報事件后，兩端原子被投影到遠距離糾纏態，從而實現糾纏分發。隨后兩端對原子進行隨機基測量，測量結果用于貝爾不等式檢驗以驗證安全性，并在通過檢驗后對數據進行后處理生成安全密鑰。
 

　　上述兩項研究工作得到國家科技重大專項、國家自然科學基金委、中國科學院及安徽省、合肥市、山東省、濟南市、香港研究資助局等的支持。
 

　　(微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)