日本與加拿大量子通信研究取得重大突破

特約撰稿人|宋向東

日本與加拿大量子通信研究取得重大突破

特約撰稿人|宋向東

全光量子通信系統(tǒng)采取的是“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式，它讓生成“量子糾纏”與交換“量子糾纏”發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn)，事實(shí)上在“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式中，量子中繼器只在操作過(guò)程中存在。

量子通信，是將原子和光子等微小粒子進(jìn)行巧妙處理，它采用“量子密碼”和“量子隱形傳輸”等技術(shù)，是全新的通信手段。量子通信的高速、長(zhǎng)距離化，不僅會(huì)促進(jìn)通信市場(chǎng)創(chuàng)新和擴(kuò)展，而且還能實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)安全。

傳統(tǒng)的量子通信在發(fā)信機(jī)/接收機(jī)間，為了解決光纖的光傳輸損耗問(wèn)題，需要設(shè)置“中繼器”，即量子存儲(chǔ)器。因此，世界各地的研究機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行量子存儲(chǔ)器的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

量子存儲(chǔ)器指的是由材料系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器，它是指量子力學(xué)的“疊加態(tài)”，在一定時(shí)間內(nèi)具有“保持”功能。

NTT和多倫多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2015年4月15日宣布，在新的光量子通信系統(tǒng)研發(fā)方面，顛覆了在遠(yuǎn)距離量子通信中必需有“量子中繼器”即“物質(zhì)量子存儲(chǔ)器”的理論，僅使用光的收/發(fā)裝置就能實(shí)現(xiàn)“全光量子通信”，這是一個(gè)重大突破。

實(shí)際上，量子中繼系統(tǒng)，通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)光再生，已經(jīng)在歐美問(wèn)世了。量子中繼系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

量子通信的載體是“量子糾纏”，在量子中繼系統(tǒng)中，通過(guò)使用量子中繼器，完成量子信號(hào)再生，主要運(yùn)作是通過(guò)“生成“量子糾纏””和“交換“量子糾纏””進(jìn)行。圖1中的收/發(fā)信機(jī)及中繼器，都是泛指的量子中繼器，它的作用是通過(guò)與其連接的光纖，在發(fā)送和接收設(shè)備之間提供有效的“量子糾纏”。

所謂“量子糾纏”就是在量子力學(xué)中，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子(如光子)之間，存在某種糾纏關(guān)系，即使距離相對(duì)遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)改變，也將會(huì)影響到另一個(gè)的狀態(tài)。

與傳統(tǒng)的量子中繼系統(tǒng)不同，全光量子通信系統(tǒng)是傳統(tǒng)量子中繼系統(tǒng)的升級(jí)版，其優(yōu)點(diǎn)更為明顯。在全球范圍內(nèi)推廣量子通信網(wǎng)絡(luò)，將使通信網(wǎng)絡(luò)全面升級(jí)換代，也將會(huì)使“量子互聯(lián)網(wǎng)”得到推廣。

圖1 量子中繼系統(tǒng)

圖2 “量子糾纏”生成及光子進(jìn)行長(zhǎng)距離量子通信示意圖

NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方案

傳統(tǒng)的量子中繼系統(tǒng)如何演進(jìn)成全光量子通信系統(tǒng)？這是NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)需要解決的核心問(wèn)題，該方案稱為時(shí)間反轉(zhuǎn)型量子通信系統(tǒng)，不需要“量子信息接口”和量子中繼器，因?yàn)樗墓鈱W(xué)裝置能夠在常溫下工作，并且也沒(méi)有必要配置用于抑制噪聲的冷卻裝置，所以傳輸距離更長(zhǎng)、速率更快。

在歷來(lái)方式中：各個(gè)中繼器通過(guò)光子進(jìn)行傳輸，包埋在最近中繼器/發(fā)射器內(nèi)的量子比特，生成“量子糾纏”；確認(rèn)“量子糾纏”生成后，進(jìn)行量子運(yùn)算（“量子糾纏”交換），之后在接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間提供“量子糾纏”；該情況下，因不允許量子運(yùn)算（“量子糾纏”交換）失敗，所以需要量子存儲(chǔ)器。

在時(shí)間反轉(zhuǎn)方式中：各中繼器自身所有的量子比特要事先實(shí)施量子運(yùn)算；然后通過(guò)光子傳輸，在接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間提供“量子糾纏”；在這種情況下，由于允許量子運(yùn)算失敗，所以沒(méi)有必要配置量子存儲(chǔ)器。

NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方案是如何生成“量子糾纏”及用光子進(jìn)行長(zhǎng)距離量子通信的？如圖2所示。

在歷來(lái)方式中，進(jìn)行交換“量子糾纏”，由中間的量子存儲(chǔ)器，選擇相鄰的中繼器/發(fā)信機(jī)兩邊的“量子糾纏”共享的量子存儲(chǔ)器，對(duì)它們實(shí)施量子運(yùn)算(水平測(cè)試)，把經(jīng)由量子存儲(chǔ)器連接的中間狀態(tài)b，移行到用“量子糾纏”捆綁成的最終狀態(tài)c，即“量子糾纏”進(jìn)行直連。

在時(shí)間反轉(zhuǎn)方式中，生成的“量子糾纏”，通過(guò)既有的交換“量子糾纏”，各中繼器共享的量子比特，彼此用“量子糾纏”連結(jié)成集群狀態(tài)d，通過(guò)讓“量子糾纏”直連，移行到最終狀態(tài)c。

那么NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方案是如何實(shí)現(xiàn)全光量子通信的？首先，各中繼器產(chǎn)生“量子糾纏”用的光子和編碼糾錯(cuò)的光子，做好準(zhǔn)備狀態(tài)。此狀態(tài)為光子檢測(cè)裝置、主動(dòng)前虧技術(shù)和線性光學(xué)裝置，實(shí)現(xiàn)向單一光子集團(tuán)的逐次運(yùn)算提供條件。其次，各中繼器/發(fā)射機(jī)將光子在左右傳送，光子很快碰到，就會(huì)產(chǎn)生“量子糾纏”，其成功的概率很高。最后，在收/發(fā)信機(jī)間供給“量子糾纏”。因此，在全光量子通信系統(tǒng)中，量子中繼器僅在操作過(guò)程中使用。

全光量子通信系統(tǒng)，采取的是“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式，它讓生成“量子糾纏”與交換“量子糾纏”發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn)，事實(shí)上，在“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式中，量子中繼器只在操作過(guò)程中存在。

全光量子通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)眾多

全光量子通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有以下4個(gè)方面。

● 無(wú)限量的通信速度

在歷來(lái)系統(tǒng)中，因?yàn)橐褂梦镔|(zhì)量子存儲(chǔ)器的“記憶功能”，因此在系統(tǒng)的啟動(dòng)中存在“等待時(shí)間”，這就限制了量子通信速度。不使用物質(zhì)量子存儲(chǔ)器的全光量子通信，沒(méi)有任何這樣的限制，因此，全光量子中繼系統(tǒng)可以提供不受通信距離限制和極快的通信速度。

● 不需要量子信息接口

在歷來(lái)系統(tǒng)中，物質(zhì)量子存儲(chǔ)器、通信用的光子和處于原理驗(yàn)證階段的“量子信息接口”，都是必須的。而在全光量子中繼系統(tǒng)中，僅需要通信用的光子和收/發(fā)信設(shè)備。

● 全光量子通信系統(tǒng)的技術(shù)已完成原理驗(yàn)證

全光量子通信系統(tǒng)所需要的線性光學(xué)元器件、單光子源、光子探測(cè)器、主動(dòng)前饋技術(shù)等原理驗(yàn)證已經(jīng)完成，目前的狀況是它比物質(zhì)量子存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展還要超前。

● 正常溫度操作

在歷來(lái)的系統(tǒng)中，由于使用物質(zhì)量子存儲(chǔ)器，必須通過(guò)噪聲抑制讓物質(zhì)量子存儲(chǔ)器處于超低溫下工作，而全光量子通信系統(tǒng)僅需光學(xué)裝置，原則上它可在室溫下工作。

雖然目前全光量子通信系統(tǒng)的技術(shù)還有待成熟和完善，但技術(shù)原理驗(yàn)證工作已經(jīng)完成，取得了巨大進(jìn)展，商用化已是遲早的事情。