半月談?dòng)浾?戴威 何曦悅

想象兩枚骰子，一枚送到北京、一枚送到上海。遞送途中，去北京的骰子擲出“6”，去上海的即刻以“1”示人。這種不受距離影響的神奇“互動(dòng)”，就是量子糾纏——量子世界最奇特的特性之一，也是構(gòu)建未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的基石?？闪孔有盘?hào)天生脆弱，在光纖中傳輸會(huì)快速衰減。如何讓這等“神奇”經(jīng)得住千里萬(wàn)里的考驗(yàn)，是全球科學(xué)家念茲在茲的難題。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》和《科學(xué)》上接連發(fā)表兩項(xiàng)研究成果，重新點(diǎn)燃科學(xué)界對(duì)可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)研究的熱情。沉寂多年的領(lǐng)域，何以重燃希望的光亮，潘建偉團(tuán)隊(duì)究竟實(shí)現(xiàn)了什么？

量子聯(lián)網(wǎng)，為何需要“接力”？

為什么要探索量子網(wǎng)絡(luò)?理由其實(shí)很簡(jiǎn)單。依靠量子糾纏，人類能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典通信難以達(dá)到的理論上無(wú)條件安全。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)還能憑借量子精密測(cè)量實(shí)現(xiàn)高精度感知，通過(guò)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)信息的指數(shù)級(jí)加速處理，最終帶來(lái)人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知能力的革命性飛躍。而構(gòu)建這一網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，就是讓量子糾纏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高效分發(fā)。

理想很美好，現(xiàn)實(shí)卻充滿挑戰(zhàn)。量子糾纏的最大弱點(diǎn)，就是極度脆弱。在光纖中傳輸時(shí)，量子信號(hào)會(huì)因光纖固有損耗不斷衰減，傳輸效率隨距離呈指數(shù)級(jí)下降。一組數(shù)據(jù)足以說(shuō)明這種衰減的可怕：經(jīng)過(guò)1000公里標(biāo)準(zhǔn)光纖直接傳輸后，光信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減至原初水準(zhǔn)的10的負(fù)20次方量級(jí)，也就是萬(wàn)億億分之一。這意味著，即便每秒發(fā)射100億對(duì)糾纏光子，平均每300年才能接收到一對(duì)。這樣的傳輸效率，讓遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)成為空談。

量子網(wǎng)絡(luò)示意圖

有人要問(wèn)了，像普通光信號(hào)那樣，沿線建“加油站”放大信號(hào)行不行?答案是否定的。常規(guī)的信號(hào)放大手段會(huì)直接破壞量子信號(hào)的糾纏態(tài)，此路不通。

鑒于此，科學(xué)家提出了一個(gè)巧妙的解決方案——量子中繼。這就像從北京到上海的長(zhǎng)途旅程，不追求一次直達(dá)，而是拆分成北京到濟(jì)南、濟(jì)南到南京、南京到上海多段“短途”，每一段旅程都建立一對(duì)獨(dú)立的量子糾纏。假設(shè)北京到濟(jì)南的一對(duì)糾纏粒子是甲和乙，濟(jì)南到南京的一對(duì)是丙和丁，通過(guò)濟(jì)南的量子中繼器對(duì)乙和丙進(jìn)行名為“糾纏交換”的操作，原本毫無(wú)關(guān)聯(lián)的甲和丁就能隨之建立糾纏關(guān)聯(lián)。一段段“接力”，就能讓量子糾纏跨越千里。

在短距離的光纖中傳輸，量子糾纏的損耗小得多了。例如經(jīng)過(guò)100公里標(biāo)準(zhǔn)光纖直接傳輸后，保留下來(lái)的量子信號(hào)還有百分之一——這是目前可以接受的效率。不過(guò)，科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，事情沒(méi)那么簡(jiǎn)單……

新突破的關(guān)鍵是什么？

早在1998年，潘建偉及其同事就向國(guó)際學(xué)界首次演示了量子糾纏的連接。不過(guò)，有個(gè)難題此后近30年各國(guó)科學(xué)家都未能破解：糾纏的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于建立糾纏所需的時(shí)間——在甲乙糾纏的存活時(shí)間里，丙丁糾纏根本來(lái)不及“出世”，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效連接。這一問(wèn)題，嚴(yán)重制約了量子中繼的可擴(kuò)展性。

三十年磨一劍。今年問(wèn)世的最新成果，一大突破就在于，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命量子糾纏——糾纏壽命達(dá)到550毫秒，顯著超過(guò)建立糾纏所需的450毫秒。量子糾纏的“存活時(shí)間”足夠支撐相鄰糾纏的建立與連接，可擴(kuò)展量子中繼的基本模塊由此就能搭建起來(lái)。這就讓世人看到了遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)“落地”的曙光。

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、高保真度單光子糾纏協(xié)議……這些悉心打造的利器，共同保證一份傳輸效率實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍的量子中繼方案成為現(xiàn)實(shí)：在1000公里光纖線路中每隔100公里設(shè)置一個(gè)中繼站點(diǎn)，通過(guò)糾纏交換連接各段糾纏，使用與直接傳輸相同發(fā)射速率的光源，每秒可接收到一億對(duì)糾纏光子，傳輸效率較直接傳輸提升了100億億倍!

籌劃遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)有了底氣，一項(xiàng)與之密切相關(guān)的重要應(yīng)用也在潘建偉團(tuán)隊(duì)的探索中初露鋒芒——現(xiàn)實(shí)條件下最高安全等級(jí)的量子保密通信，即器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)(DI-QKD)。

簡(jiǎn)而言之，這一突破意味著量子保密通信不必費(fèi)心精確標(biāo)定器件參數(shù)來(lái)保障安全，只消通信雙方能建立經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高品質(zhì)糾纏，就能嚴(yán)格保證密鑰分發(fā)的安全，國(guó)際同行稱之為“密碼學(xué)者千年來(lái)所追尋的‘圣杯’”。

依托可擴(kuò)展量子中繼技術(shù)，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了2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)間的遠(yuǎn)程糾纏保真度仍保持在90%以上。在此基礎(chǔ)上，他們得以在11公里的城域尺度光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)，傳輸距離較以往最好結(jié)果提升約3000倍;100公里光纖鏈路中密鑰生成也成為可能，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。

量子網(wǎng)絡(luò)離我們有多遠(yuǎn)？

透過(guò)潘建偉團(tuán)隊(duì)的最新成果，我們能看到量子網(wǎng)絡(luò)在日常生活中鋪展開(kāi)來(lái)的希望之光嗎？

科學(xué)界的評(píng)價(jià)是積極的?？蓴U(kuò)展量子中繼基本模塊的構(gòu)建，讓量子糾纏的遠(yuǎn)距離“接力”變成了可規(guī)?；卣沟募夹g(shù)方案。我們可以構(gòu)想千公里級(jí)乃至更遠(yuǎn)距離的光纖量子網(wǎng)絡(luò)的模樣；器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)傳輸距離突破百公里，讓這一“密碼學(xué)者千年來(lái)所追尋的‘圣杯’”不再囿于實(shí)驗(yàn)室的短距離場(chǎng)景，接通城域乃至城際的實(shí)際應(yīng)用有了可能。量子通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐，正一點(diǎn)點(diǎn)打磨成型。

而且，量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，涉及量子存儲(chǔ)器、光子接口、量子探測(cè)器、光纖傳輸?shù)榷鄠€(gè)核心環(huán)節(jié)，新成果中所提出的長(zhǎng)壽命囚禁離子量子存儲(chǔ)器等核心技術(shù)，將帶動(dòng)相關(guān)核心器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)我國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)從核心技術(shù)研發(fā)向工程化、實(shí)用化邁進(jìn)。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)突破到實(shí)際的量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還有很長(zhǎng)一段路要走。就像前面提到的，量子信號(hào)的脆弱性，使得一切相關(guān)應(yīng)用的大規(guī)模普及，都面臨一系列高難度挑戰(zhàn)。種種日用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)“量子迭代”，目前還不能輕言樂(lè)觀。但是，這也給量子科學(xué)界極大的信心。求索量子網(wǎng)絡(luò)途中一系列看似不可能突破的障礙，或許，會(huì)等來(lái)手持創(chuàng)新鑰匙的通關(guān)人。

編輯：范鐘秀