中科大团队完成城域尺度的量子隐形传态实验 | Nature Photonics 论文推荐

撰文  赵维杰

审校  张强（论文共同通讯作者） 孙启超（论文第一作者）

日前，中国科学技术大学和加拿大的研究组分别在合肥和卡尔加里市借助城市光纤网络，完成了12.5千米（光纤长度30千米）和8.2千米（光纤长度17.3千米）城域尺度上的量子隐形传态实验。两项实验于2016年9月19日在线发表于《自然-光子学》杂志，标志着量子隐形传态从实验室迈向实际应用的重要一步[1, 2]。

比量子隐形传态实验更广为人知的，是传输单个光子并借助其量子态产生密钥的量子密钥分发实验。今年上半年，中科大团队实现了400千米距离的量子密钥分发实验，再次刷新了这一领域的距离纪录[3]，而全长2000千米的量子通讯“京沪干线”也即将完工。

量子隐形传态实验则与密钥分发实验不同，它需要在两个节点之间实现光子量子状态，而非光子本身的传递。这个过程更为复杂，涉及多个要素。此次中科大团队的工作首次在单一实验中同时实现了纠缠预先分发、独立光子源干涉和主动前馈幺正操作三个要素，而这三者的同时实现，是量子隐形传态在未来取得实际应用的先决条件。

下图中图a展示了量子隐形传态的基本原理。纠缠光子源产生纠缠光子对（EPR），并将其分别传输到发送节点 Alice 和接收节点 Bob；在发送节点 Alice，操作者对携带量子态的光子（量子态表示为 |ψ>）与纠缠光子共同进行贝尔态测量（BM），测量结果通过传统信道（上方箭头）传送给接收节点 Bob；接收节点 Bob 处的操作者便可以根据贝尔态测量的结果在己方纠缠光子身上重建量子态 |ψ>，实现量子态的传输。

量子隐形传态实验原理示意图 图片来源：参考文献[4]

在具体的实验中，中科大和加拿大的团队都选取了比基本系统稍微复杂的3节点系统（分别如上图中图b、图c 所示）。两组实验中，纠缠光子分别在中继节点 Charlie 和接收节点 Bob 处产生，而贝尔态测量均在中继节点 Charlie 处进行。

中科大团队实验地理图示 图片来源：论文[1]

贝尔态测量要求携带量子态的光子与纠缠光子必须是全同的，在各个自由度上都不可分辨，这就要求两个光子在从产生地点到达测量点的过程中不受到环境的扰动影响。

在中科大的实验中，以时间同步为例，当温度变化1 °C时，1 km长的光纤的长度变化约为4 mm，实验中约15 km的光纤长度变化约为60 mm。这样的长度变化对光子传输时间的影响为300 ps，远大于光子的相干时间，会导致光子不能在时间上重合，无法发生干涉。

为了克服上述问题，两组科学家分别设计了不同的延迟反馈系统，对环境造成的影响做出及时的补偿，并最终实现了城域尺度上的量子隐形传态。

在量子隐形传态实验中，最为理想的光源是确定性的单光子源，即每次泵浦能确定性的产生一个光子。

中科大的实验中，Alice 处产生携带量子态的光子的光源为一种可预报的单光子源，这种光源可以很大程度上提高和保证量子隐形传态的保真度（即 Bob 处重建的量子态与 Alice 处初始量子态相同的概率[5]）。在不使用主动前馈幺正操作情况下，中科大实验的量子保真度可以达到91%，这也是目前已知的量子隐形传态实验中得到的最高的保真度之一。

而加拿大的研究组则使用衰减的激光作为光源，其亮度更强，使量子隐形传态的速度更高，达到每分钟17个光子，高于中科大实验中的每小时2个光子。然而，由于这个光源并非严格意义的单光子源，实验中的量子保真度仅为78%。78%的保真度足以证明量子隐形传态具有量子的特性，但是还需要进一步提高才能使用在量子密钥分发等具体应用中。

综合而言，这两项独立的实验证明了量子隐形传态在城域尺度上的实际应用是可以实现的，对其结果的进一步发展，将可能实现更丰富的量子信息在更远距离上更高效的传输。

感谢论文共同通讯作者，中国科学技术大学张强教授和论文第一作者孙启超同学接受“科研圈”采访，并对本文初稿进行精心审校！

“科研圈”愿与更多科学工作者合作，推介最新科研进展、提供最优交流平台！

参考文献：

[1] Quantum teleportation withindependent sources and prior entanglement distribution over a network, Qi-Chao Sun et al, doi: 10.1038/NPHOTON.2016.179

[2] Quantum teleportation acrossa metropolitan fibre network, Raju Valivarthi et al, doi: 10.1038/NPHOTON.2016.180

[3] Measurement deviceindependent quantum key distribution over 404 km optical fibre, Hua-Lei Yin etal, arXiv: 1606.06821 [quant-ph]

[4] Teleportation becomesstreetwise, Frédéric Grosshans, Nature Photonics news & views, 2016

[5] Advances in QuantumTeleportation, S. Pirandola et al, arXiv: 1505.07831v1 [quant-ph]

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论文基本信息

【题目】Quantum teleportation with independent sources and prior entanglement distribution over a network

【作者】Qi-Chao Sun, Ya-Li Mao, Si-Jing Chen, Wei Zhang, Yang-Fan Jiang, Yan-Bao Zhang, Wei-Jun Zhang, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Xiao Jiang, Teng-Yun Chen, Li-Xing You, Xian-Feng Chen, Zhen Wang, Jing-Yun Fan, Qiang Zhang* and Jian-Wei Pan*

【期刊】Nature Photonics

【日期】Published online: 19 September 2016

【DOI】 10.1038/NPHOTON.2016.179

【摘要】Quantum teleportation faithfully transfers a quantum state between distant nodes in a network, which enables revolutionary information-processing applications. This has motivated a tremendous amount of research activity. However, in the past not a single quantum-teleportation experiment has been realized with independent quantum sources, entanglement distribution prior to the Bell-state measurement (BSM) and feedforward operation simultaneously, even in the laboratory environment. We take the challenge and report the construction of a 30 km optical-fibre-based quantum network distributed over a 12.5 km area. This network is robust against noise in the real world with active stabilization strategies, which allows us to realize quantum teleportation with all the ingredients simultaneously. Both the quantum-state and process-tomography measurements and an independent statistical hypothesis test confirm the quantum nature of the quantum teleportation over this network. Our experiment marks a critical step towards the realization of a global ‘quantum internet’ in the real world.

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