■林梅博士認(rèn)為，在未來可行性驗證方面，中國科大團(tuán)隊構(gòu)建的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于哈佛團(tuán)隊建立的光纖鏈路。因為后者只有兩個節(jié)點，而網(wǎng)絡(luò)雛形至少要包含三個節(jié)點，這樣才能驗證其通信切換的功能——當(dāng)A、B兩個用戶在利用量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，C用戶可隨時切入，與A或B用戶進(jìn)行通信

最近，中國科技大學(xué)、哈佛大學(xué)的量子通信論文在同一期《自然》雜志發(fā)表，引發(fā)業(yè)內(nèi)和社會關(guān)注。依托中國科大組建的中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、包小輝、張強等科研人員構(gòu)建了全球首個基于量子糾纏的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)；哈佛大學(xué)米哈伊爾·盧金團(tuán)隊利用波士頓地區(qū)的電信光纖，首次在金剛石SiV（硅空位）色心體系中實現(xiàn)了雙節(jié)點遠(yuǎn)距離量子糾纏，光纖距離達(dá)到35公里左右。

這兩項科研突破背后的科學(xué)原理是什么？哪個成果的水平更高？有什么應(yīng)用價值？記者采訪了中國科大專家團(tuán)隊。

量子通信的科學(xué)原理源于量子力學(xué)，這是與經(jīng)典力學(xué)差異很大的物理學(xué)分支，也是迄今為止描述微觀世界最準(zhǔn)確的理論。專家介紹，一個物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，這個量就是量子化的。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界里，很多物理量是量子化的，即存在一個最小的單位，不能再往下分割。

經(jīng)典力學(xué)描述一個宏觀物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置。而量子力學(xué)描述一個微觀粒子的狀態(tài)，給出的是疊加態(tài)——這個粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術(shù)，它能同時出現(xiàn)在多個地方，各個分身就像是孫悟空的疊加態(tài)。

在通信領(lǐng)域，經(jīng)典通信的信號只有0和1，量子通信不僅有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。這種疊加原理導(dǎo)致了量子不可克隆原理：在量子力學(xué)中，不可能實現(xiàn)對一個未知量子態(tài)的精確復(fù)制。這是量子通信達(dá)到“無條件安全”的基礎(chǔ)。

任何經(jīng)典通信都存在被竊聽的可能。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通信雙方無法察覺。而量子通信可以將信息編碼，加載到單個光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能再分割，其量子狀態(tài)無法被精確復(fù)制，任何竊聽行為都會對其造成擾動，被通信雙方察覺。通過量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對信息進(jìn)行“一次一密”的加密保護(hù)，可實現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機(jī)、不可破譯，從根本上確保通信安全。

“在量子信息領(lǐng)域，糾纏是非常寶貴的資源。量子通信中，量子密鑰分發(fā)就是利用糾纏的非定域性，通過比對發(fā)送方和接收方手中糾纏的測量結(jié)果，確定密鑰的安全性。”中國科大博士、“墨子沙龍”科普作家林梅說，當(dāng)幾個微觀粒子彼此相互作用后，各個粒子的特性會綜合成整體性質(zhì)，無法描述單個粒子的性質(zhì)，這種現(xiàn)象被稱為“量子糾纏”。

最近發(fā)表于《自然》的中國科大成果，是研究團(tuán)隊利用冷原子系綜，首次通過單光子干涉在獨立存儲節(jié)點間建立量子糾纏，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了全球首個基于糾纏的城域多節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)，將量子糾纏網(wǎng)絡(luò)實驗的距離由幾十米延長到幾十公里。

糾纏效率是量子糾纏網(wǎng)絡(luò)實驗的重要指標(biāo)，與哈佛大學(xué)團(tuán)隊在《自然》上發(fā)表的成果相比，中國科大成果的糾纏效率高兩個數(shù)量級以上，優(yōu)勢明顯。

哈佛團(tuán)隊取得的重要突破是：首次在SiV色心體系實現(xiàn)了雙節(jié)點遠(yuǎn)距離糾纏。與中國科大的幾十公里糾纏網(wǎng)絡(luò)水平相近，哈佛團(tuán)隊先讓兩個量子存儲節(jié)點糾纏在一起，再通過光纖鏈路將這兩個節(jié)點分開，部署在穿過劍橋、薩默維爾、沃特敦和波士頓的約35公里環(huán)路上。這意味著，他們也實現(xiàn)了城域級別的量子通信。

波士頓地區(qū)的兩個量子存儲節(jié)點都由金剛石薄片制成，其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)中有一個缺陷，稱為SiV中心。使用SiV中心作為單光子的量子記憶設(shè)備，是哈佛團(tuán)隊研究多年的技術(shù)路線。它解決了量子互聯(lián)網(wǎng)理論中的一個難題——無法以傳統(tǒng)方式增強信號。根據(jù)量子不可克隆原理，一個未知量子態(tài)不可能被精確復(fù)制，所以量子網(wǎng)絡(luò)無法采用光纖信號中繼器，導(dǎo)致數(shù)據(jù)很難長距離傳輸。

基于SiV中心的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅能捕獲、存儲和糾纏量子信息位，還能糾正信號丟失，讓長距離數(shù)據(jù)傳輸成為可能。哈佛團(tuán)隊已將演示網(wǎng)絡(luò)安裝在現(xiàn)有光纖上，展示了創(chuàng)建具有類似網(wǎng)絡(luò)線路的量子互聯(lián)網(wǎng)的可行性。

林梅博士認(rèn)為，在未來可行性驗證方面，中國科大團(tuán)隊構(gòu)建的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于哈佛團(tuán)隊建立的光纖鏈路。因為后者只有兩個節(jié)點，而網(wǎng)絡(luò)雛形至少要包含三個節(jié)點，這樣才能驗證其通信切換的功能——當(dāng)A、B兩個用戶在利用量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時，C用戶可隨時切入，與A或B用戶進(jìn)行通信。

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