中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)演示了兩個(gè)量子存儲(chǔ)器相距50公里的糾纏，為解決大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供了思路。此前，兩個(gè)固定節(jié)點(diǎn)之間的量子糾纏始終無(wú)法超越1.3公里的距離。
相關(guān)論文于2月13日凌晨發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊、英國(guó)《自然》雜志上。中科大教授潘建偉、包小輝、張強(qiáng)為文章的通訊作者。
量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元，比如，光子就是量子性的，不存在“半個(gè)光子”的說(shuō)法。在這個(gè)微觀世界里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的特性，量子通信、量子計(jì)算等概念基于此發(fā)展起來(lái)。
量子糾纏就是其一，愛(ài)因斯坦稱之為“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變(比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量)，另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。
雖然理論上是這樣，但如果要建成大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，保證兩個(gè)遙遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)保持這樣精妙的糾纏態(tài)，仍存在許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。
自上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái)，物理學(xué)家們開(kāi)始嘗試遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)，即把處于糾纏態(tài)的光子分發(fā)到兩處。
早在2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就在合肥大蜀山實(shí)現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。2012年，該團(tuán)隊(duì)又在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)超過(guò)102公里的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2017年，利用世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的紀(jì)錄，達(dá)到1200千米。
不過(guò)，這樣的星地量子糾纏分發(fā)造成的傳輸損耗很大，在實(shí)際應(yīng)用上有很大挑戰(zhàn)。若要讓光子在遠(yuǎn)距離光纖上傳輸，也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損耗，限制分發(fā)的成功率。
論文提到，一個(gè)解決方案是，在兩個(gè)遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)上各自制備量子存儲(chǔ)器(某種可以儲(chǔ)存量子態(tài)的物質(zhì))和一個(gè)光子的糾纏，再把這兩個(gè)光子傳輸?shù)揭粋€(gè)共同的中間節(jié)點(diǎn)。對(duì)這兩個(gè)光子進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量操作后，就能把原節(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)量子存儲(chǔ)器投射成遠(yuǎn)程糾纏態(tài)。
此前，國(guó)際科學(xué)家們?cè)迷訄F(tuán)簇、原子、金剛石中氮空位色心、離子阱等系統(tǒng)作為量子存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，但最好的結(jié)果也只有1.3公里。
論文指出，想把糾纏距離拓展到城際規(guī)模，存在三個(gè)主要的挑戰(zhàn)。一是獲得“明亮”(即有效)的物質(zhì)-光子糾纏，二是減少傳輸損耗，三是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光纖中穩(wěn)定的高可見(jiàn)干涉。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用一種名為腔增強(qiáng)的量子效應(yīng)來(lái)制備明亮的原子團(tuán)簇和光子糾纏。他們?cè)谥锌拼笮@內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)，再把兩個(gè)信使光子通過(guò)兩條平行的11公里長(zhǎng)光纖傳輸?shù)街虚g節(jié)點(diǎn)——合肥軟件園。
為了減少傳輸期間的光子損耗，研究團(tuán)隊(duì)利用量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，將光子從近紅外頻率轉(zhuǎn)換為適合于電信傳輸?shù)念l率。最后，他們?cè)陔p光子干涉機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的糾纏，等于說(shuō)跨越了22公里。
接下去，中科大團(tuán)隊(duì)又更進(jìn)一步，在單光子干涉機(jī)制下，讓兩個(gè)由50公里長(zhǎng)光纖連接的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了糾纏，達(dá)到了城際尺度。
論文樂(lè)觀地判斷，把更多類似距離的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就可以拓展成一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的功能單位，為建立大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)做好了鋪墊。
