潘建伟团队再创纪录，量子纠缠距离足以连接两座城

2 月 13 日，实验结果以论文形式发表在 Nature 上。

让量子纠缠再远一些

从计算机及网络的发展史来看，要实现大规模的网络，长距离通信技术是必不可少的。

在量子计算和量子通信领域来说，量子纠缠能够实现的不仅仅是利用量子比特的特性，进行多状态和加密信息传输，还应具有长距离的通信能力。量子通信最终的应用就是传输信息，在实现量子纠缠之后，科学家们一直致力实现远距离的量子纠缠及相关信息传输的应用，但科学家们一直苦于不知如何让其更远一些。

事实上，远距离纠缠在过去二十年中取得了显著的进展。要实现远距离纠缠，此前一般的做法是需要让纠缠光子在光纤上的节点之间传输或通过卫星传输。但是，严重的传输损耗限制了光子分发的成功率，也限制了量子纠缠的距离。2015 年，代尔夫特理工大学（Technische Universiteit Delft）Ronald Hanson 课题组在两个距离 1.3 公里的金刚石色心系统间验证了量子纠缠，也初次验证了远距离量子纠缠的可行性。但是这样的距离并不足以支持建立远距离量子通信网或者量子互联网。

但是在本次实验中，由中科大潘建伟教授、包小辉教授领衔的研究团队创新地将几种技术结合在一起，并有针对性地解决了长期以来存在于远距离量子纠缠的难题，实现了远距离的量子纠缠。

研究参与者之一、中科大教授包小辉在接受 Deeptech 采访时说道：“本次实验的主要创新点在于，发展了适应于光纤内低损传输的高效光与原子纠缠技术，以及实现了存储器光源经由长光纤传输后的远程干涉。**”**

自研关键器件，大幅降低了衰减

从理论上来说，量子纠缠是指两粒粒子经过某段时间一起时的相互作用后，假设量子态没被破坏，无论之后分开了多远，它们最后被观察出来的形态虽然根据量子力学是随机，但两者间永远都存在着关联。但是实现远距离量子纠缠，远远不是将两个量子纠缠系统分离很远就可以了。

如今，实现远距离量子纠缠的方式与远距离通信相类似，建立发射端、接收端和它们之间的连接。映射到量子纠缠上来说，首先需要创造一对量子纠缠系统，接着建立远距离的连接，最后验证它们之间量子纠缠的正确性就行了。看似十分简单，但是实现起来还是存在很多困难的。

首先，要建立有效的量子纠缠。据包小辉介绍，研究团队是采用 “纠缠交换” 这一技术完成量子纠缠的建立。具体思路是在同一实验室内选取铷原子团制作两个独立的量子存储器，再建立两对光与原子纠缠，即每个量子存储器放出一个光子，这个光子与原子团是纠缠的。之后将两个存储器给出的光子经过远距离传输后进行干涉测量，量子纠缠就会在两个量子存储器间建立起来，而量子存储器原始的状态也被存储起来。比较类似于两国都派出使节在中立国进行谈判，而且双方建立了友好关系。

值得注意的是，在本次实验中，两个独立的量子系统的直线物理距离只有 0.6 米——就在一个实验室内，连接它们的其实是从位于安徽省合肥市的中国科技大学到软件园的两条平行的光纤。而图中 “Middle Station” 中包含超导纳米线传感器，用于光子经过远距离传输后进行干涉测量，这已经是量子中继站的一种存在形式了，而这样的设置也是此前潘建伟团队的研究成果。

接着，研究团队采用两种自主研制技术解决了连接中的高损耗问题。

第一，从源头出发，研究团队在两个量子存储器都设置了环形腔增强（Cavity Enhancement）技术来提升单光子与原子系综间耦合，并优化光路传输效率，将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级。其中，腔增强光路是研究团队自主研制，主要的思路是提升单光子与原子系综间的耦合并降低腔内损耗，最终实现的腔内原子态至光子态转化效率为 90% 左右。

第二，研究团队选择光纤作为连接介质，以光作为传输信息的载体。但是，原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为 3.5dB/km，在 50 公里光纤中，衰减将达到十亿亿倍（具体衰减倍数为 10 的 17.5 次方），使得量子通信无法实现。

对此，包小辉介绍：“研究团队自主研发周期极化铌酸锂波导，通过非线性差频过程，将存储器的光波长由近红外（795 nm）转换至通信波段（1342 nm），将 50 公里的光纤衰减降低到百倍以内，相比之前提升了 16 个数量级。”简单而言，就是将原来要传输的光子频率改变了，变换为传输衰减较小的通信波段频率，实现了远距离的量子纠缠。这样的变频设置就和我们日常所见的变压器很类似，在传输电能时将电压升高以降低输电线中损耗的能量。

多种技术的融合

总的来说，本次实验将多种技术融合实现了远距离的量子通信，其中创造性地采用了 “腔增强” 和“变频”等技术，将多年未悬而未决的高损耗难题解开。实验中使用的多项技术和创新思维也体现了潘建伟团队多年科研的技术沉淀。

量子计算和量子通信领域无疑是近几年来科研界最炙手可热的领域之一了，基本都是一年好几个重大突破。**此次的实验对于实现量子通信具有十分重要的意义。**

但是，实现远距离量子通信还远远不止这一步，潘建伟、包小辉领衔的研究团队在论文的最后也提到将量子纠缠的距离进一步拉远和引入多种量子存储器可能是新的研究方向，并且这对于实现高级量子通信的应用有重大意义。而本次实验中采用的类似量子中继站的形式也能进一步拓宽量子纠缠的跨度。

本次实验的论文是 2019 年 3 月 26 日投稿，距今已经快一年的时间，相信中国科学家还会给我们带来新的惊喜，2020 年的量子信息技术值得期待！