2018-05-05 17:36:38
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近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授研究團(tuán)隊(duì)宣布其在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)25個(gè)量子接口之間的量子糾纏。該成果的研究論文已在4月20日出刊的美國(guó)《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)進(jìn)展》刊載。
這項(xiàng)成果的發(fā)布意味著什么呢？
即有了更高效率的量子接口，它用于實(shí)現(xiàn)量子信息在傳遞粒子（光子）和存儲(chǔ)粒子（通常為原子）之間相互轉(zhuǎn)化，是連接量子存儲(chǔ)器或量子計(jì)算單元與光量子通信通道間的重要界面。因此，量子接口也是量子通信（領(lǐng)域）中的一個(gè)基本元器件。
量子是指能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。粒子又是指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分。因此，物理學(xué)上把由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象稱為量子糾纏。
糾纏就是最小的物質(zhì)，如粒子（光子）、原子之間的接觸、疊加、纏繞，也即信息傳遞和交流，正因?yàn)橛羞@樣的交流，可以讓量子通信、量子計(jì)算機(jī)、量子互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)。
瞬時(shí)轉(zhuǎn)移有了“接口”
量子糾纏需要量子接口，但是首先要保證不同類型的粒子可以互相糾纏在一起，才能進(jìn)行量子信息的傳播，而且量子接口越大，就越能接入更多信息并進(jìn)行量子交流，從而擴(kuò)大量子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
段路明團(tuán)隊(duì)通過(guò)光束復(fù)分技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，比此前最高紀(jì)錄的4個(gè)量子接口之間的糾纏提高了約6倍。這也意味著未來(lái)不僅通過(guò)量子接口可以實(shí)現(xiàn)量子通信和量子互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，而且通信和網(wǎng)速將極大提高。
從人類通信史來(lái)看，從電話線上網(wǎng)（盡管是寬帶）到光纖已經(jīng)是一個(gè)飛躍，速度和流量也只提升數(shù)百倍而已。但如果用上量子通信，傳輸效率就要比5G的光纖信道高出上億乃至萬(wàn)億倍。
量子通信當(dāng)然需要介質(zhì)，光束或光纖就是傳遞粒子的重要介質(zhì)，在所有的信息載體里，光子跑得最快，所以光束既是信息載體，又是信息本身。研究表明，高速激光或許是量子通信更好的介質(zhì)，采用高速激光通信技術(shù)可以完成高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)突破高分辨率衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠邢奁款i，因而能夠形成“瞬時(shí)”傳輸?shù)牧孔泳W(wǎng)絡(luò)。
2017年6月，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉等人利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在1200千米的通信距離上，以衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300kb的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1kb/s。這個(gè)技術(shù)稱為星地雙向量子糾纏分發(fā)，其傳輸效率比目前同等距離地面光纖信道高出20個(gè)數(shù)量級(jí)，即提升萬(wàn)億億倍。
這是一個(gè)什么概念呢？大約就是一個(gè)人步行到火星與光速到達(dá)火星之間的差距。或者說(shuō)，現(xiàn)在的光纖互聯(lián)網(wǎng)在1秒內(nèi)下載一部高清電影，而量子互聯(lián)網(wǎng)可以在1秒內(nèi)下載億萬(wàn)部高清電影。
為量子網(wǎng)絡(luò)建立前提
量子接口不僅要讓信息傳遞快，還要準(zhǔn)確。段路明團(tuán)隊(duì)研發(fā)的量子接口就是要保證對(duì)應(yīng)的粒子進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)接。因?yàn)椋魏瘟孔恿Ｗ佣伎赏ㄟ^(guò)相互作用產(chǎn)生糾纏，同時(shí)粒子與外界很多環(huán)境粒子也會(huì)產(chǎn)生糾纏，從而導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生。
在過(guò)去，粒子與外界環(huán)境粒子產(chǎn)生的糾纏被認(rèn)為是不可控的，現(xiàn)在有了量子接口，就可以精準(zhǔn)對(duì)接，形成純凈可控的糾纏，建立量子信號(hào)的單線聯(lián)系，互不干擾。因此，這是量子互聯(lián)網(wǎng)和量子通信的一個(gè)基礎(chǔ)。
建立量子互聯(lián)網(wǎng)的另一個(gè)基礎(chǔ)是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)。除了利用光束或激光進(jìn)行量子信息傳輸外，也有一些科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)建立混合型量子網(wǎng)絡(luò)。
不過(guò)，建立純粹的量子網(wǎng)絡(luò)具有更充足的理由，因?yàn)檫@是一種保密性更強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)。量子通信的特點(diǎn)是，不可分割、復(fù)制、測(cè)量，因而不易被破譯竊聽。不可分割使得竊聽者無(wú)法將量子分割進(jìn)行測(cè)量。即便可以強(qiáng)行測(cè)量也會(huì)留下痕跡，改變量子的狀態(tài)，使竊聽行為暴露。而且量子本身有不確定性，即便竊聽者截取了量子，也不能精準(zhǔn)復(fù)原正確的量子狀態(tài)，得到的是錯(cuò)誤信息。因此，量子網(wǎng)絡(luò)可以讓用戶在安全保密的狀態(tài)下通信。
有了量子網(wǎng)絡(luò)和連接千家萬(wàn)戶的量子接口，量子互聯(lián)網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)。因此，現(xiàn)在的研究為量子通信進(jìn)一步夯實(shí)了基礎(chǔ)。