Nature 重磅：潘建偉團隊實現數十公里遠程量子儲存器糾纏

台灣時間 2 月 13 日凌晨，最新一期Nature發表了中國科學技術大學潘建偉團隊的最新重磅成果：兩個量子記憶體通過光纖跨越數十公里實現遠程糾纏。

在這項最新研究中，潘建偉、包小輝及其同事利用一種名為腔增強的量子效應，來製備糾纏原子和光子，再將這些糾纏原子和光子轉換為適合於電信傳輸的頻率，最後在兩個由 50 公里長光纖連接的節點之間實現了糾纏。

研究結果表明，與糾纏光子相比，多節點之間的原子–光子糾纏可能更適合量子糾纏的遠距離傳輸。本項研究演示了兩個相距 50 公里的量子記憶體的糾纏，這一距離足以連接兩座城市，並比之前報導的距離要遠得多，或為實現多節點、遠距離糾纏鋪平了道路，有助於量子互聯網的開發。

就像計算機中的硬碟驅動器一樣，量子儲存器存儲量子信息。它們是構建量子互聯網的必要部分，並將促進實現超安全的量子通信，允許遠程量子計算機一起工作。

以前，科學家已經實現了相距 1200 公里的單個光粒子糾纏，但是這種糾纏無法存儲，而量子儲存器糾纏之前最大物理距離只有一公里之遙。

遠程糾纏的突破

實現連接遠程量子處理器的量子互聯網，將能夠支持許多革命性的應用，比如分布式量子計算。而想要實現量子通信，建立遠程量子記憶體之間的糾纏是關鍵挑戰。

儘管相關研究已經取得了巨大進展，但由於嚴重的傳輸損失，此前兩個節點之間可實現的最大物理距離是 1.3 公里，想要實現遠程糾纏依然存在巨大挑戰。

為了將距離擴展到城市規模，在這項最新論文中，研究人員將基於原子團的量子儲存器與有效的量子頻率轉換（QFC）相結合，並通過數十公里的城市級光纖傳輸，實現了兩個量子儲存器的糾纏。

原子集合之間的遠程糾纏產生示意圖，兩個量子存儲節點（節點 A 和 B）通過光纖連接到一個用於光子測量的中間站。

具體而言，研究人員利用腔增強來創建原子-光量子糾纏的明亮來源，並採用差分頻率生成（DFG）工藝實現光纖低損耗傳輸，然後通過雙光子干涉實現了超過 22 公里的原子團糾纏，並通過單光子干涉實現了超過 50 公里的原子團糾纏。

遠程糾纏實驗鳥瞰圖，兩個量子節點位於中國科技大學，來自兩個節點的電信光子通過兩個平行的部署光纖，傳輸到位於合肥軟體園的中間站。

該實驗證明了兩種通過光纖中的長距離光子傳輸實現雙量子記憶體糾纏的可行方法。研究人員表示，通過加入更多的量子記憶體，實驗結果可以擴展到通過多光子干涉在遠距離糾纏多個量子記憶體，還可以在兩個子鏈路上產生兩對遠程原子糾纏，並按照量子中繼方案通過糾纏交換來延長原子糾纏的距離，串聯此過程可以足夠地延長距離以超過直接傳輸的極限。

研究人員認為，將這些實驗擴展到相隔很遠的節點，將能夠執行高級的量子信息任務，並為構建遠距離大規模量子網絡鋪平了道路。

量子通信——無影無蹤的傳送過程

處於量子糾纏的兩個粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神秘的關聯，這種神秘的關聯無論如何都無法用經典觀念去理解，被愛因斯坦稱為「遙遠地點間詭異的互動」。

量子信息科學家發現，量子糾纏除了神秘之外，還是一種可以利用的超經典力量，它可以成為具有超級計算能力的量子計算機和「萬無一失」的量子保密系統的基礎。

量子糾纏

按照常理，信息的傳播需要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。量子隱形傳態即用量子態作為信息載體，通過量子態傳送完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實物的「完全」的信息傳送，能夠實現原則上的完全保密。

量子通信即是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是一種無影無蹤的全新通信方式。

基於量子隱形傳態，人們提出了量子因特網的構想。量子因特網是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理。相比於經典因特網，量子因特網具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效地降低通信複雜度等一系列優點。

作為國際上量子信息實驗研究領域開拓者之一，潘建偉是該領域有重要國際影響力的科學家，近年來取得了一系列有重要意義的研究成果。

2016 年 8 月 16 日，全球首顆量子科學實驗衛星「墨子」號在中國酒泉衛星發射中心發射成功。

作為「墨子」號量子科學實驗衛星的首席科學家，潘建偉領銜的「墨子號」量子科學實驗衛星科研團隊被授予 2018 年度克里夫蘭獎，這也是克里夫蘭獎設立 90 余年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一榮譽。

潘建偉院士

潘建偉院士帶領團隊完成量子通信衛星科研項目後，享譽國內外，被認為是當今世界量子通信領域的頂尖人物。不過，盛譽之下也引起了一些爭議，不少民間學者對其成就甚至個人表達出質疑，網上也有三言兩語的挖苦諷刺。

事實上，潘建偉的科研成就讓絕大多數科研學者都望塵莫及，潘建偉博士期間師從量子實驗研究的世界級大師蔡林格，其 27 歲時參與的研究成果入選美國《科學》雜誌「年度全球十大科技進展」, 還被《自然》評為「百年物理學 21 篇經典論文」，31 歲任中國科學技術大學教授，41 歲成為中國當時最年輕的中科院院士，45 歲獲國家自然科學一等獎，2017 年被評為《自然》雜誌年度十大科學人物……

無論如何，有中國「量子之父」稱號的潘建偉，仍在質疑中前行，並讓中國在世界量子通信領域保持領先地位。

論文題目：Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres

論文摘要：

論文原文：