中国实验室为城域量子传输打下基础
来源:第一财经日报 发布时间:2016年09月23日 08:33 作者:钱童心

  “至少我们可以一起死了。”好多影迷或许还记着《星际迷航》里这样的片段,这是McCoy医生和Spock在外星被敌人包围时的一声叹息,但正是这个时候Spock被飞船瞬间传送走了,留下一脸无奈的McCoy孤军奋战:“Again?”

  你也许还在对这里人类瞬间传输(Teleportation)的技术感到不可思议。但这样的科幻场景近日正在中国和加拿大两地的实验室演绎。

  “幽灵般的超距作用”

  本周在《自然》杂志子刊《自然·光子学》上发表的两篇论文,阐述了中国合肥市和加拿大卡尔加里市通过数千米光纤网络的量子隐形传态试验。这两项独立研究表明,通过城市网络进行量子隐形传态(quantumteleportation)在技术上是可行的,并为未来城市范围的量子技术和通信网络,比如量子互联网打下了基础。这标志着科学家们已经在量子旅行领域取得重大突破。

  不过和《星际迷航》中传输的是星际舰队的官员不同,这两个研究团队是在城市光纤网络中将量子信息传送出数公里远的距离。这种突破可帮助创建更快的“量子互联网”、更安全的计算机网络,未来甚至有可能帮助人类实现“瞬间移动”(或称量子隐形传输)。

  其中合肥的研究是由此前负责“墨子号”量子通信卫星的首席科学家、中科大潘建伟、中科大张强等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、清华大学、上海交通大学等研究机构合作完成的。研究人员在合肥量子城域通信试验网上首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输,为未来可扩展量子网络的构建奠定了坚实基础。

  量子隐形传态是一种传递量子状态的重要通信方式,是可扩展量子网络和分布式量子计算的基础。在量子隐形传态中,遥远两地的通信双方首先分享一对纠缠粒子,其中一方将待传输量子态的粒子(一般来说与纠缠粒子无关联)和自己手里的纠缠粒子进行贝尔态分辨,然后将分辨的结果告知对方,对方则根据得到的信息进行相应的幺正操作。

  爱因斯坦曾称这种量子纠缠现象为“幽灵般的超距作用”,可被用于远距离传输信息。纠缠态预先分发、独立量子源干涉和前置反馈是量子隐形传态的三个要素。在此之前,国际上还没有任何一个量子隐形传态实验同时满足上述所有要求。

  此前的研究中显示,粒子可以在室内范围瞬间传输,甚至光线曾被传输穿过奥地利多瑙河。而此次的两项研究证实通过城市光线进行量子隐形传输是可行的。新的研究可帮助创造“量子互联网”,与当今网络相比,它的速度更快、更高效、更安全。

  潘建伟小组首先和清华大学合作开发了适合光纤网络传输的时间相位纠缠光子源,然后通过发展皮秒级的远程光同步技术和使用光纤布拉格光栅进行窄带滤波,成功地解决了两个独立光子源之间的同步和干涉问题;接着开发了针对远距离光纤所造成的延迟和偏振涨落以及实验系统的稳定性等问题的主动反馈系统;最后利用中科院上海微系统所开发的超导纳米线单光子探测器,在合肥量子城域通信网络的30公里链路上实现了满足上述三要素的量子隐形传态实验。

  同日,《自然·光子学》也在线发表了加拿大WolfgangTittel小组在Calgary的光纤网络中利用独立源的量子隐形传态实验结果。

  量子计算机迈出实用化步伐

  该实验的成功受到高度评价,业内称赞其“极大地推动了量子信息领域的研究”,“提供了一个符合未来量子通信网络应用的蓝图”,“由于量子隐形传态在众多量子通信方案中扮演的重要角色,这样的首次实验验证将是量子技术发展过程中的重要里程碑”。

  巴黎国家科学研究中心量子计算机专家弗雷德里克·格罗斯汉斯(FredericGrosshans)说:“这两项实验已经证明,在城市范围内实现量子隐形传输在技术上是可行的。毫无疑问,将来许多有趣的量子信息试验将帮助建立这种网络。”

  纽约城市大学物理学教授加来道雄(MichioKaku)表示,这种技术突破可帮助人类瞬间移动。他称这种技术在本世纪末即可成为现实,人类在宇宙中“瞬移”只是时间问题。

  除此之外,这两项实验也将对加密技术产生影响,帮助信息更安全地传输,包括在地球和太空船之间的通信。而且,量子隐形传输也可被用于金融领域,比如确保远距离情况下的银行账户安全。

  不过这种远距离的光纤传输要得到更加实际的应用,还得依赖于量子计算机的研发。中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中科大上海研究院张文卓副研究员对《第一财经日报》表示:“这是量子比特首次在城市光纤网络中实现远距离传输,过去还仅限于实验室级别。但是量子比特的发展方向是为未来量子计算机之间的通信实现全量子互联网建立基础。”

  目前谷歌、微软和阿里都已经建立了量子计算机实验室。此前有外媒报道,谷歌将“最快明年年底之前就能实现目标”。然而张文卓表示:“量子计算机的研发门槛之高、难度之大,不太可能在短时间内实现。”就连谷歌高薪聘请的来自加州大学圣巴拉拉分校的知名物理学家约翰·马提尼斯(JohnMartinis)也曾表示:“尝试制造一台实际意义上的量子计算机,简直是物理学上的一个噩梦。”

  不过中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿此前在接受采访时表示,就量子计算机这一前沿性科学领域由作为企业的谷歌引领这一点而言,足以说明量子计算机已非昔日科研机构“象牙塔”里的探索性科学课题,而是已经历史性地“迈出了实用化的步伐”。