对话 | 中国团队首次完成“赫兹速率”的城域量子隐形传态

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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光子盒研究院

近日，电子科技大学郭光灿院士团队周强研究组与中科院上海微系统所尤立星团队合作，在电子科技大学“银杏一号”城域量子互联网方面取得了重大进展。

“银杏一号”城域量子互联网建设场地鸟瞰图和设计概念图。展示了一个量子隐形传态系统，该系统在 64 公里长的光纤通道上以 7.1 ± 0.4 Hz 的速率传输由独立光子携带的量子态。实现了≥90.6 ± 2.6% 的平均单光子保真度，超过了经典物理方案中的最大保真度66.7%。

研究团队合作研制出高重频量子光源、自动化光子全同测控装置、高性能超导纳米线单光子探测器，突破了量子信息载源、量子信道建立、量子信息检测等技术难题，首次完成“赫兹速率”的城域量子隐形传态。

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Hertz-rate metropolitan quantum teleportation”。该工作得到了国家重点研发计划、四川省重点研发计划、国家自然科学基金委以及合肥国家实验室的大力支持。电子科技大学博士研究生沈思为本文的第一作者，周强教授为本文的通讯作者。

实现量子互联网的关键任务之一便是在不同量子节点间完成量子信息的传递。借助于量子纠缠资源，在量子投影测量和经典通信的辅助下，量子隐形传态可将未知量子信息进行“离物传递”。

自从20世纪90年代，量子隐形传态协议被提出以来，研究人员在不同物理体系中开展了大量的理论和实验研究。

不同类型的量子隐形传态和应用实例。来源：https://www.nature.com/articles/s42254-023-00588-x

其中，基于量子光学方案的量子隐形传态为量子互联网构建提供了一种重要的方案: 包括连续变量 (CV) 与离散变量(DV) 两个量子物理体系。然而，由于量子信道损耗的增加可能加剧CV系统的退相干，使得CV系统的距离被限制在10公里左右。

DV体系的量子隐形传态有望将量子信息传递距离延伸到数千公里。目前，基于DV体系，科学家们已经在光子不同自由度上完成了从室内到外场的量子隐形传态：比如，基于“墨子号”卫星，上千公里的量子隐形传态已经得到实验验证。

在这些工作基础上，研究小组在实验上首次验证了赫兹速率的城域量子隐形传态，为推进量子互联网的持续发展具有重要作用，是朝着实用化前进的一个里程碑式工作。

这次工作建成的“银杏一号”城域量子互联网，使用诱骗态时间片量子比特对待传递的量子信息进行编码，在突破许多关键技术的基础上，首次将城域量子隐形传态的速率提升至赫兹量级。

1）高重频量子纠缠光源。研究团队研制出具有自主知识产权的量子纠缠光源，使用单个尾纤耦合周期极化铌酸锂波导模块，实现了500 MHz重频触发的高质量量子纠缠光源。

2）自动化光子全同测控装置。为了保障量子隐形传态的成功，提高贝尔态投影测量效率，需确保来自Alice和Bob的光子在长距离光纤传输后保持全同。研究团队自主研发出自动化光子全同测控装置，通过对量子信道中的光子偏振及时延信息进行实时感知，实现了快速响应的光纤信道光子全同稳定测控技术。

3）高性能超导纳米线单光子探测器。中科院上海微系统所尤立星团队为实验系统提供了高探测效率、低暗计数、低时间抖动的高性能超导纳米线单光子探测器，用于高效率贝尔态投影测量和光量子态检测过程。

进一步地，研究团队分别使用量子态层析及诱骗态方法获得隐形传态的保真度均大于经典极限（66.7%），并通过三重符合测量得到量子态传递速率为7.1 Hz，首次实验验证了赫兹速率城域量子隐形传态的可行性。

典型量子态传递保真度结果。

值此成果发布之际，光子盒有幸同论文通讯作者周强老师展开了交流。

盒叔：我们了解到这项成果被命名为“银杏一号”，命名的原因是什么?

周强：银杏是电子科技大学的标志之一，校内有银杏大道、银杏餐厅等命名。研究成果是在校园内城域量子互联网基础上取得，我们希望通过这种方式表达对学校的感谢。

盒叔：尤立星老师团队在这项成果中提供了怎样的技术支持？

周强：尤老师团队在超导纳米线单光子探测器方面做了重要的支持，提供了工作波长、探测效率、暗计数、时间抖动等方面与系统兼容的探测装置，提供了很好的合作。

盒叔：此次成果，您觉得最满意、最有意义的是什么？

周强：最有意义的地方是首次在大学校园内建成量子纠缠互联的实验研究平台，并产出令人兴奋的国际领先成果。

盒叔：“研制出高重频量子光源、自动化光子全同测控装置、高性能超导纳米线单光子探测器，突破了量子信息载源、量子信道建立、量子信息检测等技术难题，首次完成‘赫兹速率’的城域量子隐形传态。”

可以给我们讲讲上述专业术语对于此次成果的作用、意义吗？

周强：量子互联网从基础研究走向应用的必由之路是不断提升量子信息的传输性能。与互联网技术的发展一样，研究人员需要不断提升信源、信道、信宿的性能，才能推进领域的不断发展。比如，在过去20 年左右的时间中，我们经历了无线互联技术的不断升级，目前大家正在研究如何构建6G无线互联网。量子互联网中的信源是光子、信道为传输光子的光纤或者自由空间、信宿将对光量子信息进行测量和探测。

此次成果的取得得益于团队在上述三个方面的多年积累，包括在高速率/高重频量子纠缠光源、弱相干诱骗态光源，自动化光纤通道测控（通过测控光子的全同性来实现），超导纳米线单光子探测等方面的技术突破。

盒叔：最后一个问题，量子纠缠技术或量子光源纠缠技术目前发展到了哪个阶段？

周强：量子纠缠光源技术在工作波长、纠缠自由度等方面有很多技术分支，研究团队在通信波段的时间片或时间-能量纠缠光源方面具有小批量研制生产能力。

盒叔说：

IN GENERAL

此次的“银杏一号”城域量子互联网的传态速率达到了赫兹量级，结合集成量子光源、量子存储中继、量子信息节点等核心器件，未来有望研制出“高速率、高保真、多用户、长距离”的量子互联网设施，进一步推进量子互联网迈向实际应用。

我们也期待、祝愿课题组取得更多相关突破。

参考链接：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/lPamv_win6-t8U2QIZBwPA

[2]https://www.nature.com/articles/s41377-023-01158-7

[3]https://www.nature.com/articles/s42254-023-00588-x

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