可扩展量子中继基本模块成功构建

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　　本报合肥2月8日电（记者丁一鸣、常河）近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事在可扩展量子网络研究方面取得重大突破。他们分别与各相关机构的研究人员合作，在国际上首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能；实现单原子节点间的远距离高保真纠缠，并在此基础上首次将器件无关量子密钥分发的传输距离突破百公里，极大推进了该技术的实用化进程。日前，两项成果分别发表于国际学术期刊《自然》和《科学》。

　　上述突破是我国在量子通信与量子网络领域继“墨子号”量子卫星之后取得的又一里程碑式成果，标志着基于量子纠缠的光纤量子网络正在从理论构想走向现实可能，进一步扩大了我国在该领域的国际领先优势。

　　量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络。构建量子网络的基本要素是远距离确定性量子纠缠分发，基于量子纠缠，不仅可以通过量子密钥分发实现经典信息的安全传输，还可通过量子隐形传态为量子计算机与用户之间量子信息的交互提供唯一有效途径。

　　量子中继方案是解决光纤传输损耗的有效方案。早在1998年，潘建伟及其同事就在国际上首次演示了量子纠缠的连接。此后，国内外研究团队取得了一系列重要进展。但是，近30年来科学家始终未能解决的一项重大技术难题是：纠缠的寿命远远短于产生纠缠所需的时间，以致在纠缠的存活时间内，与之相邻的纠缠难以确定性产生，因而无法实现纠缠的有效连接，严重制约了量子中继的可扩展性。

　　针对这一核心难题，中国科学技术大学研究团队通过发展长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子-光子通信接口及高保真度单光子纠缠协议，在国际上首次实现长寿命量子纠缠，纠缠寿命（550毫秒）显著超过纠缠建立所需的时间（450毫秒），从而成功构建了可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。

　　远距离纠缠分发的一个直接应用，是实现现实条件下最高安全等级的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要对器件参数进行精确标定以保障现实安全性，这通常会在实际应用中带来不便。而基于纠缠的器件无关量子密钥分发方案则突破了这一限制。

　　然而，器件无关量子密钥分发的实验实现面临极为严苛的技术门槛。基于可扩展量子中继技术，中国科学技术大学研究团队进一步成功实现了两个铷原子间的远距离高保真纠缠：在最长达100公里的光纤链路上，原子节点间远程纠缠保真度仍保持在90%以上，显著优于此前国际同类实验结果。

　　在此基础上，研究团队首次在城域尺度光纤链路上实现了设备无关量子密钥分发：在11公里光纤链路中完成了基于有限数据量的安全性分析与严格证明，传输距离较以往最好结果提升约3000倍；在100公里光纤链路中演示了密钥生成的可行性，传输距离较国际此前最好实验水平提升两个数量级以上。

　　●新知解码

啥是量子中继

　　现在，假设你手里有一对骰子，这对骰子紧紧“纠缠”，无论你怎么摇，点数总和始终为7。你把这对骰子放在黑盒里摇匀后，一个送到北京，另一个送到上海，当你在北京掷出骰子，显示点数为6，这一刻，在上海的那只骰子已经注定是1。这种“注定”是瞬时的，不受距离影响，这就是被爱因斯坦称为“遥远地点之间诡异互动”的量子纠缠。

　　然而，这种纠缠既确定又脆弱，量子信号跑不了多久就会消失。那我们沿线建起“加油站”行不行呢？快没信号了就“加加油”，把信号再次放大成完美状态，让它继续跑下一程。这对普通光信号固然有用，但由于量子信号的特殊性，“加了油”就等于毁了它。

　　于是，科学家们想出了个妙招，让它们分段纠缠，再连接起来，这就是量子中继。就像从北京到上海的漫长旅程，被分成从北京到济南到南京再到上海，每一小段内部都有一对独立的量子纠缠，比如北京到济南内部是甲和乙，济南到南京内部是丙和丁，通过设立在济南的量子中继器对乙和丙进行某种操作，本来毫不相干的甲和丁，瞬间成了相互纠缠的一对，以此类推，一段一段接力从北京跑到上海，完成使命。

　　（本报记者丁一鸣整理）