2012量子通信腳步臨近

2012年，包括中國(guó)在內(nèi)的世界頂尖科學(xué)家，在量子技術(shù)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，特別是在遠(yuǎn)距離量子傳輸方面，更是屢屢打破傳輸距離的紀(jì)錄。量子傳輸是一種全新的通信方式，傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息

2012年，包括中國(guó)在內(nèi)的世界頂尖科學(xué)家，在量子技術(shù)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，特別是在遠(yuǎn)距離量子傳輸方面，更是屢屢打破傳輸距離的紀(jì)錄。

量子傳輸是一種全新的通信方式，傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。這一信息傳輸方式使得信息交換更安全，且比傳統(tǒng)技術(shù)能更有效地執(zhí)行某些運(yùn)算，將給未來(lái)的能源革命、航空航天技術(shù)帶來(lái)莫大的好處。在未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò)中，量子態(tài)隱形傳輸將是量子計(jì)算機(jī)之間一個(gè)關(guān)鍵的信息傳輸協(xié)議。在量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)中，交換信息的雙方之間的距離在原則上可以任意長(zhǎng)，即便是該傳輸過(guò)程都不知道收件者的位置。

2012年8月，中國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造量子傳輸距離新紀(jì)錄的消息一經(jīng)公布，便在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注。中國(guó)科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士領(lǐng)銜的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過(guò)地基實(shí)驗(yàn)堅(jiān)實(shí)地證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

在任意距離間傳輸未知量子態(tài)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子網(wǎng)絡(luò)必不可少的環(huán)節(jié)，它可以通過(guò)遠(yuǎn)距離量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)已經(jīng)在中等距離的光纖得到了實(shí)現(xiàn)，但是巨大的光子損耗和消相干效應(yīng)使得要在光纖中實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子傳輸必須引入量子中繼器，而量子中繼器的實(shí)用化在實(shí)驗(yàn)上還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。自由空間信道由于損耗小，比光纖通信更具可行性，結(jié)合衛(wèi)星的幫助，將有可能在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)。

2005年，潘建偉小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)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(fā)。此后，在中科院量子戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的持續(xù)支持下，潘建偉小組對(duì)自由空間量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。2010年，該小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了16公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸。從2010年開始，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖地區(qū)建立實(shí)驗(yàn)基地，開展驗(yàn)證星地自由空間量子通信可行性的地基實(shí)驗(yàn)研究，從多個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺(tái)自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)大尺度量子信息處理發(fā)展了若干關(guān)鍵量子技術(shù)。該小組發(fā)展的超高亮度量子糾纏源技術(shù)自2004年開始一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平，目前的亮度比十年前提高了500倍。該小組還發(fā)展了一套高精度的時(shí)間同步技術(shù)，在百公里量級(jí)時(shí)間同步精度達(dá)到1納秒。與此同時(shí)，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一套高頻率、高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤技術(shù)和裝置，確保了百公里量子信道的衰減穩(wěn)定在一個(gè)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)。潘建偉領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)在大尺度量子信息處理方面，基于超高亮度糾纏源技術(shù)，還首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了八光子糾纏。

2011年10月，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖首次成功地實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)。之后，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖首次實(shí)現(xiàn)了基于四光子糾纏的97公里的自由空間量子態(tài)隱形傳輸，并首次實(shí)現(xiàn)了百公里的雙向糾纏分發(fā)和Bell不等式檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論是從高損耗的地面指向衛(wèi)星的上行通道鏈路，或是從衛(wèi)星指向兩個(gè)地面站的雙通道下行鏈路，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸和量子糾纏分發(fā)都是可行的，這為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和大尺度的量子力學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

而就在中國(guó)科學(xué)家取得突破性進(jìn)展之后僅僅幾個(gè)月，歐洲科學(xué)家在量子傳輸距離方面就又創(chuàng)下新紀(jì)錄。由奧地利物理學(xué)家安東·塞林格帶領(lǐng)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，于2012年9月在拉帕爾馬和特內(nèi)里費(fèi)兩個(gè)加那利島嶼之間，成功地進(jìn)行了距離為143千米的量子態(tài)傳輸。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)適合于量子態(tài)隱形傳輸?shù)牧孔舆B接，距離超過(guò)100千米。本次試驗(yàn)中，光子全部在兩個(gè)島嶼之間直接通過(guò)湍流的大氣發(fā)送，而沒有使用光纖，避免了光纖傳輸過(guò)程中信號(hào)的損失。為了達(dá)到目標(biāo)，科學(xué)家們實(shí)施了一系列的技術(shù)創(chuàng)新。其中一個(gè)重要步驟是使用名叫“積極前饋”的方法，首次在長(zhǎng)距離實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，使傳輸速率加倍。在“積極前饋”協(xié)議中，常規(guī)的數(shù)據(jù)沿著量子態(tài)信息被發(fā)送，接收者能用更高的效率破譯傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)。下一步，歐洲科學(xué)家將實(shí)驗(yàn)將進(jìn)行基于衛(wèi)星的量子態(tài)隱形傳輸，在全球范圍內(nèi)啟用量子通信，目標(biāo)是啟動(dòng)“量子衛(wèi)星任務(wù)”。

研究人員稱，最新結(jié)果對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重大鼓舞，未來(lái)將在地球和衛(wèi)星之間交換信號(hào)，或從一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送信息到另一個(gè)衛(wèi)星上。低地球軌道飛行的衛(wèi)星距離地球表面200千米到1200千米，如國(guó)際空間站，高度約在400千米的軌道上。這次實(shí)驗(yàn)中，從拉帕爾馬到特內(nèi)里費(fèi)島嶼之間穿過(guò)大氣層的傳輸，信號(hào)雖衰減了大約1000倍，但還是成功完成了一個(gè)量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)。