【重磅】潘建伟团队实现城际量子传输,全球量子网络走进现实

【新智元导读】中国科技大学的潘建伟团队和加拿大卡尔加里大学的 Tittel 团队,本周在 Nature Photonics 刊文,使用独立开发的反馈和同步机制,分别进行了量子隐形传态实验。其中,中国的张强、潘建伟团队在合肥,使用的是电信网络波长的光,目的是为了减少在信号光在光纤中失去强度的速度。加拿大卡尔加里团队使用了 795 纳米波长的光,这使他们的量子隐形传态实验速度比中国团队快,但保真度较低。新智元编译了巴黎量子计算中心的量子物理学研究者Frédéric Grosshans 发表在 Nature 上的评论,这两个实验清楚地表明,在城际之间进行量子传输从技术上是可行的,其结果向建立城市规模量子技术和量子互联网铺平了道路。

量子互联网能够使信息在全球得到超级安全的传输,但首先科学家必须学会如何驯服光子和电子。量子技术一些近期的发展让我们朝着这个目标迈进了一步。

当量子隐形传态——将量子态从一个位置传输到另一远距离位置在 1993 年首次得到发现时,世人将其视为对量子信息本质的一个很好的解释,那就是量子信息能够被传输,但不能被复制。在 20 世纪 90 年代的早期试验后,量子隐形传态很快就成了测量物理系统量子信息一项关键的基准。

对于理论学家而言,量子隐形传态是许多证明不可或缺的工具,但更重要的是,量子隐形传态是很多协议的关键组成,包括量子中继器和量子计算。因此,量子隐形传态系统的性能和实用性将塑造未来的量子技术,并将在未来量子网络中发挥至关重要的作用。

现在,来自中国科技大学的潘建伟课题组和加拿大卡尔加里大学的研究人员分别在 Nature Photonics 刊文,介绍了在相距几千米的光纤网络上实现量子隐形传态的实验。

两个实验都涉及在三个不同的地点展开,一般将其称为 Alice、Charlie 和 Bob,以模仿未来的量子网络。【译注:贝尔测量——首先 Alice 将粒子(A)发送给 Charlie。同时,Bob 生成一对纠缠的粒子(B & C),将 B 发送给 Charlie,然后将 C 留在自己手中。Charlie 同时接收到 A 和 B,测量 A 和 B 后无法区分哪个是 Alice 发出的、哪个是 Bob 发出的。因此,这种所谓的贝尔测量导致 A 的量子状态被传输到了 C 上面,而 C 实际上是在 Bob 那里的。】

加拿大卡尔加里大学的量子隐形传态试验示意图

此前,只有过一次像这样将三个地点分开来的实验,那就是 2015年 Hensen 等人无漏洞验证贝尔理论(详见下一节介绍)。但是,当时 Charlie 距离 Alice 和 Bob 的距离都没有超过 1000 米。这一实验表明,用类似这样的结构进行传输是可能的。但是,当时使用的材料限制了远距离操作。

现在,在中国合肥进行的实验,使用的是波长为 1.5 微米跨城市传输,表明中距离的量子网络是可以实现的,在保密学和计算方面有潜在的应用。

量子隐形传态有时候也被称为“量子电报”,不过这样说实际上低估了量子信息的普遍性。电报就是在电子邮件发明之前用来快速传输信息的系统。将文件发送给 Bob,Ailce 扫描文件然后将得到的电子文档传送给 Bob,然后 Bob 将电子文档打印出来。一般而言,这份被打印出来的电子文档可以被视为原件,除非你遇到的是一个无比挑剔的管理人员。但是,在 1993 年之前,要制造一份完美的打印版被视为一件不可能的任务,因为海森堡不确定原理让人不能对物体的量子机制进行完美地测量。在那篇著名的论文中,Bennett 等人绕过了这一所谓的不可能,让 Alice 和 Bob 分享纠缠的物体——这两个物体相互纠缠,只能用一个整体的状态将其描述,分开来它们什么都不是。

为了避免海森堡不确定性,Alice 不应该测量原本被传输的状态,而应该查明相互纠缠的两个粒子中的一种,然后 Bob 可以使用这样结果进行相关的验证,根据他手中的这份状态,解读出他现在应该做什么。这一过程被称为隐形传态,是因为最初的状态在 Bob 将其完整解读出来前遭到了破坏。

原始状态的量子信息被拆分开来,存储于纠缠的一对粒子以及测量的结果当中。这种拆分使得进一步操作成为可能,从而也带来了各种量子信息隐形传态的应用。例如,原始状态可以被映射到不同的介质上,此外,隐形传态以外的状态也可以被传输,比如量子纠缠和量子运算。还有更多应用有待发现。

贝尔测量是任何隐形传态试验的最为关键的部分,也是最难搭建的部分。其难度源于需要将由两个相距 1000 米以上的不同来源分别制造光子,而且制造出的这两个光子在空间上和在光谱上没有区别,并且在试验过程中不随着环境的改变发生变化。任何要实现这种传输循环的系统,都必须达到单个光子的精度工作。

中国和加拿大两个团队都受益于近来超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的发展。为了说明试验的难度,可以想象加拿大卡尔加里团队使用了一个双光子干涉实验作为数据输入,从而保证在循环中光子具有不可区分的特性。

即使有了完美的检测器和不可分辨的光子,在如今的技术条件下,对于单个光子,要实现理论学家偏爱的理想的确定四态贝尔测量仍然是不可能的。但是,使用线性光的干涉测量,可以得出 4 个状态中的 2 个,达到几乎 50% 的成功率。

中国科技大学潘建伟课题组论文“Quantum teleportation with independent sources and prior entanglement distribution over a network” 实验示意图

中国合肥的团队搭建了一个类似的系统,检测出 4 个状态中的“1.5”个。Bob 的光子会经过 1.5 万米光纤缓冲,从而确保有时间将相应的单式(unitary)用于测量结果——或者在失败时将其抛弃。

加拿大卡尔加里团队使用了较为简单的方法,只检测出不相关的贝尔状态,从而正确几率为 25%。但是,这种方法精简了校正的过程,只用做后验就可以了。

量子网络接线员,也即传统上的 Charlie,会希望将昂贵的组件放在网络核心从而服务顾客,也即 Alice 和 Bob,后两者当然会使用更为简单,因此也更为廉价的终端。鉴于其复杂性,尤其是操作 SNSPD 保密性所需,贝尔测量工具一般都由 Charlie 负责。

有趣的是,这两次跨城市进行量子隐形传态试验的局限都不同,表明了近未来在这方面快速的发展。在合肥的实验中,量子比特经由电信网络传输,使用的是前馈传输机制,实验结果达到了理论理想水平。但是,其代价是每小时传输光子速率的降低,如果不能改善这一点,将极大地限制实际应用。

加拿大团队的实验中,Alice 的状态并没有真正被编码到单个的光子上,而是减弱的相干态。这一简化就用上了所谓的诱骗状态协议(decoy-states protocl),这是为了量子密码学开发的协议,可以确保观察到的过程是真正的隐形传态,而且使用单个光子也能得到同样的结果。加拿大团队使用的是 795 纳米的光子,因此 Bob 可以使用更加高效的光检测器(硅雪崩光电二极管)。因此,加拿大团队取得了一个更快的传输速度,每分钟 17 个光子,相比合肥团队高出许多。但是,需要后验也限制了它马上投入到实际应用中。

结合起来,这两组实验明显表示了在城市间进行量子隐形传态从技术上是可能的,在未来无疑有很多有趣的量子信息实验都将建立在此基础之上。长远看,这两篇论文展示了城市量子网络的可能性,描绘了一幅令人激动的未来图景。

Hensen 等人无漏洞验证贝尔理论

2015 年 8 月 24 日,荷兰代尔夫特技术大学的物理学家 Ronald Hanson 领导的团队在 arXiv上传了他们最新的论文,报道他们实现了第一例可以同时解决探测漏洞和通信漏洞的贝尔实验。该研究组使用了一种巧妙的技术,称为“纠缠交换”(entanglement swapping),可以将光子与物质粒子的好处结合在一起。最终测量结果表明,两个电子之间的相干性超过了贝尔极限,再一次支持了标准量子力学的观点,否定了爱因斯坦的隐变数理论。不仅如此,由于电子很容易检测,探测漏洞就不是问题了,而两个电子之间的距离又足够远,也填补了通信漏洞。量子信息领域学者认为,这是一个极为重要的实验,学界等待一个无漏洞的贝尔不等式验证实验太久了,它标志着贝尔不等式可以被称为贝尔定律了。这个实验也宣告了局域隐变数理论的死刑:量子非局域性是真实的。

标准量子力学VS隐变数理论

如果问一位物理学家,史上最成功的物理理论是什么?十有八九,他会回答量子理论。从1900年普朗克发明量子论开始,到1927年海森堡和薛定谔确立了量子力学的数学形式,短短几十年量子理论就占据物理学中的统治地位。人们用它来解释基本粒子的性质、原子发光光谱、原子组成材料的特性,甚至是宇宙的诞生与演化。这一百多年中,量子理论几乎在所有的地方都取得了巨大成功。但对它的根基是否完备,人们一直有争议。

根据量子理论,测量会导致系统波函数的塌缩,被测的物理量才被确定。这非常奇怪,难道说在测量之前物理量就没有意义吗? 进而言之,没有观察者,现实世界就不存在吗?从1920到1930年代,爱因斯坦和波尔就量子力学是否完备,量子力学的本质是什么进行了多次论战。1935年,爱因斯坦、波多斯基和罗森(EPR)三人提出了一个佯谬,指出要么量子理论是不完备的,要么量子力学会导致超光速的作用,与局域性相违背。根据量子理论,微观粒子可以处于量子叠加态。比如说子的自旋有向上和向下两种状态,这两种自旋态可以处于任意的叠加态。如果有两个电子,它们的自旋态有四种可能:上上、下下、上下和下上。把它们制备到相互纠缠的状态:自旋同时向上和同时向下的叠加态。当我们测量出一个电子的自旋是向上(或向下),那么另外一个电子的自旋态就塌缩到向上(或向下)的状态,不论电子之间的距离到底有多远。这个塌缩是瞬时的,传递速度超越了光速。最新的实验表明,这个超距相互作用传递速度至少是光速的一万倍。

英国物理学家约翰•贝尔 1928 年出生,那时量子力学的数学形式已经确立了。等他上大学时,波尔学派对量子理论的解释已经占据了主导地位,但是贝尔对此一直有疑惑。当玻姆隐变数理论出现后,贝尔成了隐变数的支持者。大学后,贝尔成为了粒子加速器理论的专家,对量子理论的基础的思考,只是业馀爱好。思考了这个问题十几年,他认为问题的关键在于找到一个实验可以验证的判据,来判定隐变数理论与量子理论到底哪个正确。1963年,贝尔获得了到美国加州斯坦福直线加速器实验室工作一年的机会,从而有时间专门研究隐变数理论。1964年,他定义了一个可观测量,并基于隐变数理论预言的测量值都不大于2。而用量子理论,可以得出其最大值可以到。一旦实验测量的结果大于2,就意味着局域隐变数理论是错误的。贝尔不等式的诞生,宣告了量子理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

无漏洞的贝尔不等式验证

从阿斯佩验证贝尔不等式开始到现在,30 多年过去了,人们在光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等许多系统中都验证了贝尔不等式,所有的实验都支持量子理论。有部分基于光子的实验排除了局域性漏洞,可是受限于光子探测器效率,没有排除测量漏洞。有部分基于原子或离子的实验,由于对离子能级探测效率接近于1,排除了测量漏洞,但没有排除局域性漏洞。

荷兰代尔夫特技术大学的 Ronald Hanson 研究组,在 arXiv.org 公布了一篇实验论文,报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。之所以选择用金刚石色心来做这个实验,有以下几个原因:首先,色心所发出的光子在可见光波段,在光纤中传播损耗非常小;其次,探测色心状态所需要的的时间很短,只要几个微秒。因此,要避免局域性漏洞,只需把两个金刚石色心分别放置在相距1.3公里的两个实验室。

利用纠缠光子对和纠缠交换技术,他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概 4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,比光通信时间少90纳秒,因此解决了局域性漏洞。此外,色心的测量效率高达96%,测量漏洞也被堵上了。总之,他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验,在96%的置信度(2.1个标准差)上支持量子理论,从而证伪了局域的隐变数理论。

实验的缺陷与应用价值

如果说实验还有什么缺陷的话,首先是置信度不够高,通常我们至少需要有三个标准差的置信度。要得到更让人信服的结果,需要积累更多数据才行。此外,还有“自由意志选择”漏洞未被排除。这个漏洞指的是测量时基矢并非随机选择。在这个实验中,用随机数发生器来选择基矢的,这会受到决定论的挑战。类空间距的量子随机数发生器,其反向光锥在过去的某一点总会相交的,原则上总可以受共同的隐变数来操控,破坏了测量独立性。要解决这个漏洞,必须要依赖人的意志来进行自由选择。人做出选择需要的时间大概是几百毫秒,因此距离至少需要有几万公里。未来,如果我们可以在月亮和地球之间完成对贝尔不等式的验证,就可以弥补这个漏洞。除此之外,这个实验也有很大的应用价值。无漏洞的贝尔不等式验证实验,为未来实现器件无关的的随机数发生器和量子密钥分发技术提供了技术储备。随着量子密钥分发技术的成熟和广泛应用,今后全量子网路技术将会越来越受到关注。这个实验所实现的距离1.3公里两个固态量子比特之间的量子纠缠制备,是未来实用化的全量子互联网的重要技术支撑。

迈向全球量子互联网的未来

2016 年 8 月,中国发射了一颗卫星,用于测试太空中的量子通信。其他一些研究机构也在钻研新的技术,用于向太空发射并收回复杂的量子信息,通过自由空间而不是光缆传输光量子。通过量子卫星,物质可以传输得更远,因为空间很空旷,所以被吸收或者扩散的光量子少一些。

处理器如果能运行使用可扩展的“量子加密”数据,在不发送过多数据的情况下对比文件,也能促进量子网络的发展。例如,为了找到违法的盗版电影,研究者可能需要对比每个文档中的所有字节。但事实上,这些字节的子集,或者说加密,就能很好的完成这个任务。量子互联网依赖于量子力学的基本规则,如幽灵般行动。这些规则已经被当代物理学普遍接受。2015年,科学家最终证实了无漏洞的贝尔测试,这对于打消长久以来的怀疑是非常有必要的,但是没有人期待这会带来多大惊喜。

但是,贝尔测试同样也在量子互联网中得到了应用,一种叫设备独立型量子密钥分配的基础量子通信。传统上看,量子密钥之间的安全交换要求被使用的设备是值得信赖的,但是,设备独立的方法免除了这一条件。这是量子通讯最安全的方式,不会对设备内部的运行情况进行任何假设。

编译来源:

  1. Frédéric Grosshans, Quantum communications: Teleportation becomes streetwise doi:10.1038/nphoton.2016.190
  2. TU Delft攻克爱因斯坦未解难题, 无漏洞验证贝尔理论(http://www.gogodutch.com/article-19986-1.html)
  3. Taming photons, electrons paves way for quantum internet (https://www.sciencenews.org/article/taming-photons-electrons-paves-way-quantum-internet)

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2016-09-20

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