中国首次实现城域量子隐形传态,为未来全球量子网络打下基础

澎湃新闻记者 王心馨

2016-09-21 21:36 来源:澎湃新闻

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当地时间9月19日,英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》(NaturePhotonics)在线发表了由中国科学技术大学教授潘建伟、张强等人在量子隐形传态实验上取得的成果。这意味着,中国向量子通信网络建设迈出了坚实的一步,也为未来可扩展量子网络的构建奠定了坚实基础。
《自然》子刊在线刊发的论文网页截图
“如果量子隐形传态要在未来的量子网络中得到应用,它应该具有纠缠态预先分发,独立量子源干涉和主动前馈幺正操作这三个要素。之前没有任何实验同时实现这三个要素。我们是全球首次。”论文的第一作者孙启超在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)的采访时说。
据中国科学技术大学官网介绍,量子隐形传态是一种传递量子状态的重要通信方式,是可扩展量子网络和分布式量子计算的基础。在量子隐形传态中,遥远两地的通信双方首先分享一对纠缠粒子,其中一方将待传输量子态的粒子(一般来说与纠缠粒子无关联)和自己手里的纠缠粒子进行贝尔态分辨,然后将分辨的结果告知对方,对方则根据得到的信息进行相应的幺正操作。纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素。在此之前,国际上还没有任何一个量子隐形传态实验同时满足上述所有要求。
实验团队首先和清华大学合作开发了适合光纤网络传输的时间相位纠缠光子源,然后通过发展皮秒级的远程光同步技术和使用光纤布拉格光栅进行窄带滤波,成功地解决了两个独立光子源之间的同步和干涉问题;接着开发了针对远距离光纤所造成的延迟和偏振涨落以及实验系统的稳定性等问题的主动反馈系统;最后利用中科院上海微系统所开发的超导纳米线单光子探测器,在合肥量子城域通信网络的30公里链路上实现了满足上述三要素的量子隐形传态实验。
“这个实验是在量子科学实验卫星发射前就完成的,《自然》的审稿时间比较长,到现在才出来。但这也算是迈出量子通信的重要一步吧。”中国科技大学教授张强,也是本论文的通讯作者之一告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)。
实现城域量子隐形传态
中国团队的量子隐形传态实验究竟意义多大,可以从《自然·光子学》给这篇论文配的评论中看出。《自然·光子学》杂志专门邀请国际量子信息学者Frédéric Grosshans在同期的“新闻视角”(News and Views)栏目撰文,评论这项工作“显示了在城域尺度上开展量子隐形传态在技术上具有可行性,毋庸置疑,今后许多有趣的量子信息实验将在此基础上展开。”
此外,这篇论文还得到了审稿人的高度肯定,认为其“极大地推动了量子信息领域的研究(significantly advances the field)”,“提供了一个符合未来量子通信网络应用的蓝图(blueprints for future quantum technologies)”,“由于量子隐形传态在众多量子通信方案中扮演的重要角色,这样的首次实验验证将是量子技术发展过程中的重要里程碑(a significant milestone)。”
在量子通信方面,随着量子科学实验卫星的发射,中国在这一领域的科研创新已经走在了世界前列。未来,中国还将陆续发射卫星,建成全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。今年下半年,京沪量子通信干线也将建成,届时国内将初步形成广域量子通信体系。按照规划,到2020年,中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发;到2030年左右,中国将建成全球化的广域量子通信网络。
这次潘建伟、张强团队在《自然·光子学》上发表的成果正是建设广域量子通信网络建设的基础。“面向未来的量子信息传输网络,必须要有的一个基本通信方式就是量子态隐形传输。我们实现了它的城域网传输。换句话说,城域网是实验床,可以做很多实验,未来会有很多新想法可以在这个网络里进行。但未来要实现全国、全球的量子通信网络建设还需要量子存储器和量子卫星。”张强说。
除了证明在城域尺度上进行量子隐形传态技术是可行的,孙启超还告诉澎湃新闻,实验过程中所发展的一系列技术,对其他量子信息实验也是十分有应用价值的。
向量子通信网络建设迈出坚实一步
据澎湃新闻了解,为了证明量子隐形传态技术的可行性,这个拥有明星阵容的团队前后仍花了2年左右的时间。期间还遇到了不少困难,比如独立光远程干涉、系统稳定性、高性能单光子探测和高性能纠缠源等问题。
“之前这些技术都不具备,随着我们和合作伙伴的共同努力,有些是专门为了这个实验,有些是别的实验的促进,才使这个实验成为可能。同时加拿大做了类似的实验,也说明这是国际量子通信界技术的发展趋势吧。”张强告诉澎湃新闻。
量子隐形传态的实验过程图
据孙启超介绍在上海完成了量子隐形传态的实验室内测试之后开始选择外场试验点。外场实验需要已经铺设好的光纤网络作为通信链路在科大国盾量子的帮助下团队将室外试验点之一放在了合肥中科大实验室另外两个是在科大国盾量子的机房分别位于合肥软件园的机房和合肥动漫产业园公司总部的机房里。
“20154月份我们进入外场实验点做前期准备工作,6月底所有设备就位开始对系统进行各方面的测试。到10月中旬测试结束开始正式的数据采集。11月下旬实验完成。孙启超说。
从实验结果看显示了很高的保真度说明系统在现实环境下有足够高的稳定性可以满足实际应用的要求。
尽管实验成果得到了外界的肯定,但不论是张强还是孙启超在采访中多次向澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,量子通信网络建设需要多种量子技术,量子隐形传态只是其中一个,未来仍有许多工作需要完成。目前量子通信产业化过程中,量子密码算是最成熟的一块产业,未来还有许多技术需要慢慢成长。
责任编辑:段霞鋆澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 量子网络,中国首次,城域量子,隐形传态,澎湃,澎湃新闻

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