中科大科研团队再登《Nature》封面,从此量子通讯不受距离限制?

家衡 2周前 (06-04)

这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就。

中科大科研团队再登《Nature》封面,从此量子通讯不受距离限制?

量子通信是当下热门的科研话题之一。

但由于光子的衰减,量子通信会被距离所限制,这些光子就正如神话故事里的“牛郎”和“织女”一样,被分隔在光纤两端

如果说牛郎织女可以靠着“鹊桥”每隔一年相会一次。

那么在量子世界里,能让“光子牛郎”和“光子织女”相遇的“鹊桥”就是“量子中继”

中科大科研团队再登《Nature》封面,从此量子通讯不受距离限制?

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源,首次实现两个吸收型量子存储器之间的量子纠缠,并演示了多模式量子中继。

该研究成果登上国际著名学术期刊《Nature》新一期封面,这也是中国量子存储和量子中继领域的重大进展。

搭起光子间的“鹊桥”

受限于光子数在光纤中的指数衰减,远程量子纠缠的传输距离被限制在百公里平。

中科大科研团队是这么描绘远程量子纠缠传输难题:“通过光纤向距离一千公里外的地方每秒发射一百亿个光子,要花三百年才能接收到一个光子。”

距离问题,就成了当下量子网络建设亟待解决的问题之一

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为此,科学家们提出量子中继的思想,即将远距离传输划分为若干短距离基本链路,先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠,然后通过纠缠交换技术进行级联,从而逐步扩大量子纠缠的距离。

通俗易懂来讲:如果直接发送光子很困难,那么可以像短跑接力一样,将光子分段传输,从而实现远距离通信。

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这其中的技术核心是量子存储技术,作为量子中继的核心器件,量子存储器对光子比特进行缓存,并用于储存光子纠缠态

而当前业内一直研究的课题,就是提升纠缠连接效率

独创的“三明治”量子存储器

目前,国际上的研究者已在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路,但均基于发射型量子存储器构建,其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。此前,李传锋教授在接受新华社采访时表示:发射型量子存储器,要么一次只能传输1个量子,效率低;要么一次传输多个量子,但精确率低。

这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储,限制了纠缠分发的速率。

而此次李传锋、周宗权研究组的吸收型量子存储器的量子中继架构,把量子存储器和量子光源分离开来,故能同时兼容确定性光子源和多模式复用,是目前理论上通信速率最优的量子中继方案

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简单来说,存储和发射分离开来,可以保证传输时的精确度。

此前,李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究。

早在2015年,该团队就首次利用光子的空间自由度实现复用量子存储,存储维度数达到51维,至今保持固态量子存储维度数最高水平。

此后,研究组还进一步证明他们的存储器可以在时间和频率自由度实现任意脉冲操作,代表性的操作包括脉冲排序、分束、分频、异频光子合束和窄带滤波等。

在本次实验里,研究组研究的是基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储,这种存储器利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体,分别处理光的两种正交偏振态。

基于独创的“三明治”结构,每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储,然后,每对纠缠光子中的另一个光子会同时传输至中间站点,这就实现了量子中继。

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《Nature》杂志审稿人对此次的研究成功给予高度评价并表示:“这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就。”

量子通信,中国新的突破口

总结来讲,这次研究成果就是如何让单个微弱的纠缠态光子在光纤中尽可能远的传输,传输的其实依然是量子密钥,距离真正的“量子+通讯”还有一定距离。

但这依然是中科大这些年量子通讯领域一系列进步的延续,也延续着该领域的国际领先地位。

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目前来看,中国已经走在了国际量子通信领域的前列。

一方面,中国拥有世界上最好的光纤资源,这为其大规模实施量子通信提供了土壤。另一方面,行业头部企业在产品上的突破和通信巨头的入局,国内外相关标准制定的推进,也为量子通信低成本产业化带来可能。

在未来,信息安全本身是一个刚需、庞大的市场,而量子通信作为信息安全中的重要战略产业,也将一直保持行业技术突破,直到我国实现“量子霸权”。

对于今后的研究方向,李传锋教授表示:下一步,研究组将继续提高量子存储器的各项指标,并采用确定性纠缠光源,从而大幅提高纠缠分发的速率,努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。

我们也期待中科大科研团队能在未来有更大的突破。

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