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我科學家實現百公里量級自由空間量子隱形傳態與糾纏分發

2012年08月12日  無雙網  出處:中國科學技術大學
最近,聯合研究團隊在青海湖首次實現了基于四光子糾纏的97公里的自由空間量子態隱形傳輸,并首次實現了百公里的雙向糾纏分發和Bell不等式檢驗[Nature 488, 185 (2012)]。   該實驗證明,無論是從高損耗的地面指向衛星的上行通道鏈路,或是從衛星指向兩個地面站的雙通道下行鏈路,實現量子態隱形傳輸和量子糾纏分發都是可行的,這為基于衛星的廣域量子通信和大尺度的量子力學基礎原理檢驗的實現奠定了堅實的基礎。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士及其同事彭承志、陳宇翱等,與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成的聯合研究團隊,在國際上首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發,通過地基實驗堅實地證明了實現基于衛星的全球量子通信網絡的可行性,該研究成果于8月9日以封面標題的形式發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。
 
在任意距離間傳輸未知量子態是實現遠距離量子通信和分布式量子網絡必不可少的環節,它可以通過遠距離量子態隱形傳輸和糾纏分發來實現。目前,量子態隱形傳輸和糾纏分發已經在中等距離的光纖得到了實現,但是巨大的光子損耗和消相干效應使得要在光纖中實現更遠距離的量子傳輸必須引入量子中繼器,而量子中繼器的實用化在實驗上還是一個很大的挑戰。自由空間信道由于損耗小,比光纖通信更具可行性,結合衛星的幫助,將有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子通信和量子力學基礎檢驗。
 
2005年,潘建偉小組在國際上首次實現了距離大于垂直大氣層等效厚度的自由空間雙向糾纏分發。此后,在中科院知識創新工程重大項目“遠距離量子通信實驗研究”、“空間尺度量子實驗關鍵技術與驗證”和中科院量子戰略性先導科技專項的持續支持下,潘建偉小組對自由空間量子實驗關鍵技術進行了大量的研究。2010年,該小組在國際上首次實現了16公里自由空間量子態隱形傳輸。從2010年開始,中科院聯合研究團隊在青海湖地區建立實驗基地,開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究,從多個方面進行攻關,旨在突破基于衛星平臺自由空間量子通信的關鍵技術瓶頸。
 
經過近十年的艱苦努力,在中科院、科技部、基金委等的大力支持下,潘建偉小組為實現大尺度量子信息處理發展了若干關鍵量子技術。該小組發展的超高亮度量子糾纏源技術自2004年開始一直處于國際領先水平,目前的亮度比十年前提高了500倍。該小組還發展了一套高精度的時間同步技術,在百公里量級時間同步精度達到1納秒。與此同時,中科院聯合研究團隊發展了一套高頻率、高精度的瞄準、捕獲和跟蹤技術和裝置,確保了百公里量子信道的衰減穩定在一個可以進行實驗的范圍內,這是世界上首次將高頻率高精度的跟瞄技術應用到量子通信的實驗中,該技術可以用來跟蹤移動目標,將來可以直接利用到衛星的跟瞄上。
 
利用所發展的若干核心量子技術,今年潘建偉小組在大尺度量子信息處理方面取得了系列重要進展:在基于超高亮度糾纏源技術的基礎上,他們在國際上首次實現了八光子糾纏,論文發表在《自然》雜志的子刊《自然•光子學》上 [Nature Photonics 6, 225 (2012)],歐美多家知名科技媒體,包括歐洲物理學會、美國麻省理工學院技術評論、美國物理學家組織、大眾科學、英國ZDNet網站等分別對其進行了專題報道。隨后,他們利用八光子糾纏,在國際上首次實驗實現了拓撲量子糾錯,取得了可擴展容錯性量子計算領域的重大突破,論文發表在《自然》雜志上[Nature 482, 489 (2012)],《自然》雜志的幾位審稿人給予了熱情洋溢的高度評價,稱之為“非常重要的原理性實驗,一個艱苦卓絕的英雄主義的量子光學實驗”,“實驗的完成是完美而極具挑戰性的”,“對拓撲糾錯這一當前量子信息處理最引人注目的范例中關鍵一環的實驗驗證”。為此,《自然》專門邀請著名量子光學專家James Franson教授在“新聞視角”欄目撰文對這個工作進行了介紹。隨后,工作受到了歐洲物理學會的《物理世界》等許多科學媒體的關注。同時,潘建偉小組還在量子中繼器的實用化研究上取得了突破,他們成功實現了長壽命、高讀出效率的量子存儲,該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果,朝著最終實現實用化的量子中繼器邁進了重要一步,論文發表在《自然》雜志的子刊《自然•物理》上 [Nature Physics 8, 517 (2012)]。
 
在上述系統技術的長期發展和積累的基礎上,中科院聯合研究團隊2011年10月在青海湖首次成功地實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和雙向糾纏分發,該實驗研究成果發表在8月9日出版的《自然》雜志上[Nature 488, 185 (2012)]。
 
最近,聯合研究團隊在青海湖首次實現了基于四光子糾纏的97公里的自由空間量子態隱形傳輸,并首次實現了百公里的雙向糾纏分發和Bell不等式檢驗[Nature 488, 185 (2012)]。該實驗證明,無論是從高損耗的地面指向衛星的上行通道鏈路,或是從衛星指向兩個地面站的雙通道下行鏈路,實現量子態隱形傳輸和量子糾纏分發都是可行的,這為基于衛星的廣域量子通信和大尺度的量子力學基礎原理檢驗的實現奠定了堅實的基礎。
 
該研究部分成果的預印本于今年5月在美國學術網站arXiv.org公開后,立即引起了學術界的廣泛關注。歐洲物理學會新聞網站以“物理學家宣布新的量子態隱形傳輸記錄”為題進行了特別報道。美國《科學新聞》雜志更以“量子隱形傳輸的巨大飛躍”為題進行了專題報道,文中寫道“研究進展使得基于衛星覆蓋全球的、實用化的遠距離量子通信網絡更為接近現實”,“為基于衛星的量子通信、遠距離的量子力學基本檢驗鋪平了道路”。英國《新科學家》雜志以“隱形傳輸記錄觸發全球保密量子網絡”為題進行了報導。《自然》雜志幾位審稿人對該成果給予了高度評價,稱之為“來自于潘建偉小組的另一個英雄的實驗工作”,“有望成為遠距離量子通信的里程碑”。《自然》雜志還在該論文發表前向各大科學新聞媒體發布了題為“通向全球化量子網絡”的新聞稿,并同時在《自然》雜志的當期封面上發布“量子隱形傳態跨越了百公里鴻溝”的封面標題。
 
(微尺度物質科學國家實驗室、科技處)
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