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新聞來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 最近，聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖首次實現(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，并首次實現(xiàn)了百公里的雙向糾纏分發(fā)和Bell不等式檢驗[Nature 488, 185 (2012)]。該實驗證明，無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)星指向兩個地面站的雙通道下行鏈路，實現(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)原理檢驗的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室潘建偉院士及其同事彭承志、陳宇翱等，與中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇、光電技術(shù)研究所黃永梅等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊，在國際上首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過地基實驗堅實地證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性，該研究成果于8月9日以封面標(biāo)題的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。 在任意距離間傳輸未知量子態(tài)是實現(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)，它可以通過遠(yuǎn)距離量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)來實現(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，而量子中繼器的實用化在實驗上還是一個很大的挑戰(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現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗。 2005年，潘建偉小組在國際上首次實現(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，在中科院知識創(chuàng)新工程重大項目“遠(yuǎn)距離量子通信實驗研究”、“空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)與驗證”和中科院量子戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的持續(xù)支持下，潘建偉小組對自由空間量子實驗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。2010年，該小組在國際上首次實現(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)隊在青海湖地區(qū)建立實驗基地，開展驗證星地自由空間量子通信可行性的地基實驗研究，從多個方面進(jìn)行攻關(guān)，旨在突破基于衛(wèi)星平臺自由空間量子通信的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。 經(jīng)過近十年的艱苦努力，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間同步技術(shù)，在百公里量級時間同步精度達(dá)到1納秒。與此同時，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊發(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)定在一個可以進(jìn)行實驗的范圍內(nèi)，這是世界上首次將高頻率高精度的跟瞄技術(shù)應(yīng)用到量子通信的實驗中，該技術(shù)可以用來跟蹤移動目標(biāo)，將來可以直接利用到衛(wèi)星的跟瞄上。 利用所發(fā)展的若干核心量子技術(shù)，今年潘建偉小組在大尺度量子信息處理方面取得了系列重要進(jìn)展：在基于超高亮度糾纏源技術(shù)的基礎(chǔ)上，他們在國際上首次實現(xiàn)了八光子糾纏，論文發(fā)表在《自然》雜志的子刊《自然•光子學(xué)》上 [Nature Photonics 6, 225 (2012)]，歐美多家知名科技媒體，包括歐洲物理學(xué)會、美國麻省理工學(xué)院技術(shù)評論、美國物理學(xué)家組織、大眾科學(xué)、英國ZDNet網(wǎng)站等分別對其進(jìn)行了專題報道。隨后，他們利用八光子糾纏，在國際上首次實驗實現(xiàn)了拓?fù)淞孔蛹m錯，取得了可擴展容錯性量子計算領(lǐng)域的重大突破，論文發(fā)表在《自然》雜志上[Nature 482, 489 (2012)]，《自然》雜志的幾位審稿人給予了熱情洋溢的高度評價，稱之為“非常重要的原理性實驗，一個艱苦卓絕的英雄主義的量子光學(xué)實驗”，“實驗的完成是完美而極具挑戰(zhàn)性的”，“對拓?fù)浼m錯這一當(dāng)前量子信息處理最引人注目的范例中關(guān)鍵一環(huán)的實驗驗證”。為此，《自然》專門邀請著名量子光學(xué)專家James Franson教授在“新聞視角”欄目撰文對這個工作進(jìn)行了介紹。隨后，工作受到了歐洲物理學(xué)會的《物理世界》等許多科學(xué)媒體的關(guān)注。同時，潘建偉小組還在量子中繼器的實用化研究上取得了突破，他們成功實現(xiàn)了長壽命、高讀出效率的量子存儲，該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標(biāo)最好的實驗結(jié)果，朝著最終實現(xiàn)實用化的量子中繼器邁進(jìn)了重要一步，論文發(fā)表在《自然》雜志的子刊《自然•物理》上 [Nature Physics 8, 517 (2012)]。 在上述系統(tǒng)技術(shù)的長期發(fā)展和積累的基礎(chǔ)上，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊2011年10月在青海湖首次成功地實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)，該實驗研究成果發(fā)表在8月9日出版的《自然》雜志上[Nature 488, 185 (2012)]。 最近，聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖首次實現(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，并首次實現(xiàn)了百公里的雙向糾纏分發(fā)和Bell不等式檢驗[Nature 488, 185 (2012)]。該實驗證明，無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)星指向兩個地面站的雙通道下行鏈路，實現(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)原理檢驗的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。 該研究部分成果的預(yù)印本于今年5月在美國學(xué)術(shù)網(wǎng)站arXiv.org公開后，立即引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。歐洲物理學(xué)會新聞網(wǎng)站以“物理學(xué)家宣布新的量子態(tài)隱形傳輸記錄”為題進(jìn)行了特別報道。美國《科學(xué)新聞》雜志更以“量子隱形傳輸?shù)木薮箫w躍”為題進(jìn)行了專題報道，文中寫道“研究進(jìn)展使得基于衛(wèi)星覆蓋全球的、實用化的遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)更為接近現(xiàn)實”，“為基于衛(wèi)星的量子通信、遠(yuǎn)距離的量子力學(xué)基本檢驗鋪平了道路”。英國《新科學(xué)家》雜志以“隱形傳輸記錄觸發(fā)全球保密量子網(wǎng)絡(luò)”為題進(jìn)行了報導(dǎo)。《自然》雜志幾位審稿人對該成果給予了高度評價，稱之為“來自于潘建偉小組的另一個英雄的實驗工作”，“有望成為遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑”。《自然》雜志還在該論文發(fā)表前向各大科學(xué)新聞媒體發(fā)布了題為“通向全球化量子網(wǎng)絡(luò)”的新聞稿，并同時在《自然》雜志的當(dāng)期封面上發(fā)布“量子隱形傳態(tài)跨越了百公里鴻溝”的封面標(biāo)題。 （微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室、科技處） |
