前沿进展 | “墨子号”实现1200 km地表量子态传输新纪录

01 导读

近日，中国科学技术大学潘建伟院士与彭承志、陈宇翱、印娟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星在远距离的量子态传输方面取得重要实验进展。该实验首次实现了地球上相距1200 km两地之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。该成果以“Quantum State Transfer over 1200 km Assisted by Prior Distributed Entanglement”为题于2022年4月26日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

远距离量子态传输（Quantum state transfer, QST）通常可以利用量子隐形传态来实现，是构建量子通信网络的重要实现形式之一，也是实现多种量子信息处理任务的必要元素。量子态可通过测量然后再重构的方式完成远距离的瞬时传输，这种传输距离在理论上可以是无穷远。但在实现中，在共享纠缠的过程中由于受到信道损耗等因素的影响，如何不断突破传输距离的限制，一直是该领域的重要研究目标之一。2012年，潘建伟院士团队在国际上首次实现百公里自由空间量子隐形传态。十年后，团队再次成功实现突破，刷新了1200 km地表量子态传输的新纪录。 图 1 墨子号实现星地双站量子纠缠分发利用星载纠缠源向遥远的两地先进行纠缠分发，在进行量子态的制备与重构，是最终实现远距离量子态传输的最可能路径之一。2016年，随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射，该团队首先实现了千公里的双站纠缠分发 [Science 356, 1140 (2017)] （图1），墨子号平台为基于纠缠的量子通信实验提供了宝贵的纠缠分发资源。

03 研究创新点

由于大气湍流的影响，光子在大气信道中传播后，实现基于量子干涉的量子态测量是非常困难的。在以往的实验中，量子态传输的制备方都是量子纠缠源的拥有者，无法真正意义上由第三方提供纠缠来实现先分发后传态的量子态传输。为了克服远距离湍流大气传输后的量子光干涉难题，研究团队利用光学一体化粘接技术实现了具有超高稳定性的光干涉仪，无需主动稳相即可长期稳定，如图2所示。 图2 小型化马赫曾德干涉仪(a)及其稳定性测试结果(b)该团队利用该技术突破和墨子号的双站纠缠分发资源，再结合基于双光子路径-偏振混合纠缠态的量子隐形传态方案，最终在云南丽江站和德令哈地面站之间完成了远程量子态的传输验证（图3）。 图3 基于墨子号双站量子纠缠分发的1200 km远程量子态传输实验实验中对六种典型的量子态进行了验证，如图4所示，传送的六种不同量子态的平均保真度为0.82±0.01，超越了0.67的经典极限。 图4 1200 km量子态传输实验结果

04 总结与展望

千公里的距离为目前地表量子态传输的新纪录。在该实验中，实验团队解决了光子在大气信道中长距离传输后如何进行量子干涉的问题，这是制约自由空间量子通信向实现更复杂的量子信息任务迈进的重要瓶颈之一，为未来构建全球化的量子信息处理网络奠定了重要基础。同时，该实验发展的相关技术也可以应用于“one-way blind quantum computation”和“POVM-based protocols”等其他重要的量子信息处理任务。论文第一作者为中国科学技术大学李波博士后和曹原副研究员。该工作得到了中科院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.170501

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