中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊 實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)研究重大突破

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）記者近日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉團(tuán)隊(duì)在可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)研究方面取得兩項(xiàng)重大突破：一是在國(guó)際上首次構(gòu)建出可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能；二是首次將器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)（DI-QKD）的傳輸距離突破百公里，極大推進(jìn)了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。兩項(xiàng)成果分別于北京時(shí)間2月3日和6日發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》和《科學(xué)》。

量子信息科學(xué)的終極發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建高效、安全的量子網(wǎng)絡(luò)：利用量子精密測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的高精度感知、利用量子通信實(shí)現(xiàn)信息的安全和高效傳輸、利用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)信息的指數(shù)級(jí)加速處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知能力的革命性飛躍。構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的基本要素是遠(yuǎn)距離確定性量子糾纏分發(fā)，基于量子糾纏，不僅可以通過(guò)量子密鑰分發(fā)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息的安全傳輸，還可通過(guò)量子隱形傳態(tài)為量子計(jì)算機(jī)與用戶之間量子信息的交互提供唯一有效途徑。

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(shè)置一個(gè)中繼站點(diǎn)，在相鄰站點(diǎn)之間產(chǎn)生糾纏，再通過(guò)糾纏交換將各段糾纏連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的有效糾纏分發(fā)。利用該方案，比直接在光纖中傳輸同樣距離的效率將提升100億億倍。因此，一直以來(lái)量子中繼是光纖量子網(wǎng)絡(luò)最重要的研究方向。

早在1998年，潘建偉及其同事就在國(guó)際上首次演示了量子糾纏的連接。此后，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要進(jìn)展。但是，近30年來(lái)始終未能解決的一項(xiàng)重大技術(shù)難題是，糾纏的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于產(chǎn)生糾纏所需的時(shí)間，以至于在糾纏的存活時(shí)間內(nèi)，與之相鄰的糾纏難以確定性產(chǎn)生，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)糾纏的有效連接，嚴(yán)重制約了量子中繼的可擴(kuò)展性。

針對(duì)這一核心難題，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)發(fā)展長(zhǎng)壽命囚禁離子量子存儲(chǔ)器、高效率離子——光子通信接口及高保真度單光子糾纏協(xié)議，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命量子糾纏，糾纏壽命（550毫秒）顯著超過(guò)糾纏建立所需的時(shí)間（450毫秒），從而成功構(gòu)建了可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊，使得遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)可能。

遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)的一個(gè)直接應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)條件下最高安全等級(jí)的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定以保障現(xiàn)實(shí)安全性，這通常會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中帶來(lái)不便。而基于糾纏的“器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)（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(zhì)的糾纏并驗(yàn)證無(wú)漏洞的貝爾不等式違背，就能嚴(yán)格保證密鑰分發(fā)的安全而無(wú)需對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定。

基于可擴(kuò)展量子中繼技術(shù)，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)銣原子間的遠(yuǎn)距離高保真糾纏：在最長(zhǎng)達(dá)100公里的光纖鏈路上，原子節(jié)點(diǎn)間遠(yuǎn)程糾纏保真度仍保持在90%以上，顯著優(yōu)于此前國(guó)際同類實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首次在城域尺度光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)：在11公里光纖鏈路中完成了基于有限數(shù)據(jù)量的安全性分析與嚴(yán)格證明，傳輸距離較以往最好結(jié)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(guó)際此前最好實(shí)驗(yàn)水平提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

上述突破是我國(guó)在量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域繼“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之后取得的又一里程碑式成果，標(biāo)志著基于量子糾纏的光纖量子網(wǎng)絡(luò)正在從理論構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)可能，進(jìn)一步擴(kuò)大了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

量子網(wǎng)絡(luò)研究取得重大突破，中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子中繼核心組件與百公里器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)。學(xué)校供圖