中国科大成果再登《自然》！漫画解读如何让50千米外的两个原子产生量子纠缠

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作，在量子中继与量子网络方向取得重大突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际知名学术期刊《自然》上。

构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的终极目标之一，国际学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道来实现广域大尺度覆盖，通过光纤网络来实现城域及城际的地面覆盖。然而受限于光信号在光纤内的指数衰减，最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。将远距离点对点传输改为分段传输，并采用量子中继技术进行级联，有望进一步大幅拓展安全通信距离，并使得构建全量子网络成为可能。

然而，受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈，此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题，团队主要在三方面开展了技术攻关：首先，采用环形腔增强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；其次，由于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公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一（10^-17.5），使得量子通信无法实现，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），经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上，效率相比之前提升了16个数量级；最后，为实现远程单光子干涉，团队设计并实施了双重相位锁定方案，成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。

研究团队将以上技术相结合，最终实现了经由50公里光纤传输的双节点纠缠，并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。该工作得到《自然》审稿人的高度评价“该结果是非常杰出的，向实现量子中继方向迈出了重要一步（these are certainly outstanding results, and steps forward for the work that needs to be carried out to implement quantum repeaters）”，“将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展（bringing the operation of these systems to metropolitan distances is a major advance on the field）”。当前实验中两台量子存储器位于同一间实验室内，团队接下来将通过发展独立激光的相位同步等技术来实现真正远距离分开的双节点实验。上述工作与该团队之前实现的多节点纠缠技术（Nature Photonics, 13, 210, 2019），基于里德堡的确定性纠缠技术（Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019），以及百毫秒存储技术（Nature Photonics. 10, 381, 2016）等相结合，将极大地推动量子中继和全量子网络的实验研究。

该工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院和安徽省等单位的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1976-7

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生活好了，人的要求也提高了。要是搁以前，“楼上楼下电灯电话”，做梦都要笑醒。

现在可不行。电影要看3D了，手机要连5G了，送快递要用无人机器了，就连厕所的马桶盖都要自带暖气了。

于是，科学家也开始对现在的量子纠缠方案，感到不满意了！

量子纠缠是一种资源

量子纠缠是啥？量子纠缠可重要了。

从理论的角度说，量子纠缠就是俩粒子不是各过各的，而是结拜兄弟，在量子层面存在很强的关联。

具体来说很复杂。你就暂时理解成，俩粒子形成量子纠缠后，只要测量其中一个，就相当于同时测量了另外一个。这俩是一个整体。

在实践的角度来说，量子力学就是一种资源。有了这个资源，你就能开展量子计算，开展量子保密通信，在未来，有可能创造巨大的社会财富。

这么好的东西，为啥科学家开始不满意了呢？

现有的量子纠缠方案，应用场景有限

科学家不是说对量子纠缠的原理不满意，而是觉得现有的远距离量子纠缠方案，可应用的范围不够大。

现有的远距离量子纠缠都是用光子实现的。光子这玩意儿大家都知道，只能以光速运动，永远也不可能停下来。

这就造成了三个问题:

一、光子跑的越远，衰减就越厉害，传输效率太低。

这就好比快递员不靠谱，你寄1000个快递，他能给你弄丢999个。

（美编：山小魈，难道你的快递也在路上被烧了？）

二、光子停不下来，它携带的量子信息也就停不下来。这就导致其中的量子信息没法在一个地方存储。这就好比你有个快递，每天在天上飞，你第二天一觉醒来都不知道上哪儿找去。

三、要想读取光子的信息，就要把光子吸收掉，这也就是进行破坏性测量。这就好比你买了个U盘，只能读一次数据，读完以后U盘就坏了，你下次还得重新买一个，天天都得叫快递。

你看，要是继续沿着原来的思路走，量子纠缠要么就是不能出村。

就算出了村，运行效率也会很低。所以，科学家决定换一个思路：

如何让两个原子形成量子纠缠

2019年12月，中国科学技术大学潘建伟、包小辉和张强，联合济南量子技术研究院、中科院上海微系统所的合作者，分别在22千米（室外）和50千米（室内）的距离上，用两种方法，让两地的原子产生了量子纠缠。他们的研究结果发表在了《Nature》（自然）杂志上。

为了说明实验原理，我们先来看看，如何让两个原本不纠缠的粒子，产生量子纠缠。这通常有两招：

第一招：让俩粒子发生相互作用
这个道理很简单。假如有一个原子，有一个光子。用光照一下原子，它们就有一定概率产生量子纠缠。研究组的第一步就是这么做的。

第二招：进行特殊测量
这个道理稍微有点儿复杂。这有点儿像，你脚底打滑摔了一跤。我可以说是你主动撞地球了，你可以说不知道咋回事，是地球主动撞你了。到底是谁主动，这是个相对的概念；你从不同的角度看，结论就会不一样。

俩粒子的关系也是一样的。你要是从一个角度看，这俩粒子没纠缠。你要是从另一个角度看，不得了了，俩粒子居然同时处于2种相互矛盾的纠缠态。

这个时候，科学家只要从纠缠的角度进行测量，就会让这俩粒子真的产生纠缠。研究组的第二步就是这么做的。

如何让相距50千米的两个原子发生量子纠缠？

所以，研究组就是通过联合使用这两招，让相距50千米的两个原子形成了量子纠缠。不过，实验的具体原理很复杂。这就相当于网上那个画马的教程，我刚说了开头怎么画，现在要踩油门，进行思维加速了，直接跳到马画好的样子了。

所以，请各位乘客抓好门把手，系好安全带。

首先，以上说的办法不能直接用。为啥？因为俩原子不在一个地，不可能直接发生相互作用，所以第一招不能直接用。俩原子不在一个地，不可能同时对他们测量，所以第二招也不能直接用。

研究组心想，这就好比俩黑帮谈判。俩大哥不在一个地，但是可以派俩小弟到一个地谈，谈完了大哥再签字承认不就完了？

所以，我们可以让俩原子派俩小弟，让这俩小弟跑到一个地接受测量。由于量子纠缠有个特性，就是俩粒子结拜兄弟了，存在很强的关联。你要是测了其中一个，就等于同时测了俩。

你要是让俩小弟跟大哥之间有纠缠，那么如果俩小弟之间形成了新的纠缠，就可以同时让俩大哥之间也形成新的纠缠。

想明白这件事，具体的实验就好办了。研究组先是用第一招，让A地和B地的两个原子，分别和两个光子形成量子纠缠。这俩光子就是小弟。

然后，研究组让俩光子来到A和B的中间，然后通过第二招，让它们形成新的量子纠缠。

于是，另外俩原子也同时被测量搞得形成新的纠缠了。

不过，这只是研究组使用的第一种方法，叫作“双光子” 方案。

在此基础上，研究组还使用了另一种“单光子”方案，并将纠缠距离延长到了50千米。这两种方案的思路是一样的，只是光子和原子纠缠的具体形式不同。在这个方案中，纠缠中的光子处于一种“既生又死”的叠加态中。

虽然这么做会增加实验难度，但也有好处。这俩“半死不活的光子”只要有一个活着把信儿送到，纠缠就能形成。

因此，“单光子”方案的纠缠成功率更高。

于是，量子纠缠终于成功出村了！

迈出“量子互联网”基础设施的第一步

看到这儿，你可能有问题。这俩原子才距离50千米，也就是出了村刚到乡里。

其实，这里的关键在于，原子不会乱跑，是一种不动产。它可以像互联网的中继器一样，老老实实待在一个地方，收到信息就存起来，需要发送的时候再发出去，不会动不动玩消失，也不会只用一次就坏了。

这是整天乱跑的光子做不到的。

所以，这个实验相当于说，他们做出了一个能出村的1量子比特的中继器。将来要去市里、省里都好办，多弄几个量子比特，再多弄几个交换器，一个节点一个节点连过去就好了。

也许到了将来的某一天，科学家可以用类似的思路，铺设一套“量子互联网”的基础设施，让远距离、大规模、安全交换量子数据成为可能。

（美编：山小魈，创造财富不是这么来的。）

注：

1. 在这个实验中，科学家不是用一个原子携带一个量子比特，而是用1亿个原子组成一个系统，让它们来模拟一个原子。而且，这两团原子并没有相距那么远。实验里说的几十千米，其实是光子在光纤中传播的距离。研究组的下一步计划，就是要把两团原子真正分开几十千米这么远。

2. 实验中，研究人员还将光子的波长进行了“量子频率转换”，让它们变得能够以更低的损耗在光纤中传播。

3. 用原子纠缠做中继器，如果距离太远，也会发生衰减。但这种衰减是“多项式级”的，比光子纠缠的“指数级”衰减要靠谱的多。

参考文献：

1. Briegel H J, Dür W, Cirac J I, et al. Quantum repeaters: the role of imperfect local operations in quantum communication[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(26): 5932.
2. Duan L M, Lukin M D, Cirac J I, et al. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics[J]. Nature, 2001, 414(6862): 413.

3. Zhao B, Chen Z B, Chen Y A, et al. Robust creation of entanglement between remote memory qubits[J]. Physical review letters, 2007, 98(24): 240502.

4.Kimble H J. The quantum internet[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1023.
5. Yu Y, Ma F, Luo X Y, et al. Entanglement of two quantum memories via fibers over dozens of kilometres[J]. Nature, 2020.

来源：合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部、墨子沙龙

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