日前，中國科學技術學院潘建偉教授團隊借助“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在遠距離量子態(tài)傳輸方面取得重要實驗進展，實現(xiàn)了1200公里地表量子態(tài)傳輸?shù)男录o錄。
前述團隊潘建偉教授及朋友彭承志、陳宇翱、印娟等在實驗中首次實現(xiàn)了月球上相距1200公里的兩個地面站之間量子態(tài)遠程傳輸，向建立全球化量子信息處理和量子通訊網(wǎng)路邁出了重要一步。相關成果在線發(fā)表于《物理評論快報》()。
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圖片來自《物理評論快報》()
早在2012年，中科大潘建偉團隊在國際上首次實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱型傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過地基實驗，證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通訊網(wǎng)路的可行性。
遠距離量子態(tài)傳輸(QST)一般可以借助量子隱型傳態(tài)來實現(xiàn)，是建立量子通訊網(wǎng)路的重要實現(xiàn)途徑之一，也是實現(xiàn)多種量子信息處理任務的必要元素。通過遠距離量子糾纏分發(fā)的輔助，量子態(tài)可通過檢測之后再構建的方法完成遠距離傳輸，傳輸距離在理論上可以達到無窮遠。
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星地量子秘鑰分發(fā)實驗，2017年5月拍攝于成都南山，多張相片合成了衛(wèi)星過境的概貌，背景是星體的星軌，圖片來自中科院
但在實現(xiàn)中，量子糾纏分發(fā)的距離和品質會遭到信道耗損、消相干等誘因的影響量子傳輸距離，怎么不斷突破傳輸距離的限制，仍然是該領域的重要研究目標之一。
借助星載糾纏源，向遙遠的兩地先進行糾纏分發(fā)，再進行量子態(tài)的制備與構建，是實現(xiàn)遠距離量子態(tài)傳輸?shù)淖羁赡苈窂街弧５牵驗榇髿馕闪饔绊懀庾釉诖髿庑诺乐袀鞑ズ螅獙崿F(xiàn)基于量子干涉的量子態(tài)檢測是十分困難的。
在往年實驗中，量子態(tài)傳輸?shù)闹苽浞蕉际橇孔蛹m纏源的擁有者，難以真正意義上由第三方提供糾纏來實現(xiàn)先分發(fā)后傳態(tài)的量子態(tài)傳輸。2016年，隨著“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，研究團隊首先實現(xiàn)了千公里的雙站糾纏分發(fā)，“墨子號”平臺為量子通訊實驗提供了寶貴的糾纏分發(fā)資源。
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墨子號量子通訊衛(wèi)星模型，圖片來自人民視覺
這次，為了克服遠距離紊流大氣傳輸后的量子光干涉困局，實驗團隊借助光學一體化粘接技術實現(xiàn)了具有超高穩(wěn)定性的光干涉儀量子傳輸距離，無需主動閉環(huán)即可常年穩(wěn)定。借助該技術突破，結合基于雙光子路徑-偏振光混和糾纏態(tài)的量子隱型傳態(tài)方案，在四川拉薩站和伊寧地面站之間完成了遠程量子態(tài)的傳輸驗證。實驗中對六種典型的量子態(tài)進行了驗證，傳送保真度均趕超了精典極限。
前述研究實現(xiàn)的千公里距離成為目前地表量子態(tài)傳輸?shù)男录o錄，為未來建立全球化的量子信息處理網(wǎng)路奠定了重要基礎。審稿人評價，“這個實驗比先前實驗更具挑戰(zhàn)性，克服了重大的技術挑戰(zhàn)，對未來量子通訊的應用具有重要意義。”
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千公里量子態(tài)傳輸，圖片來自中科大
論文共同第一作者為中科大博士后李波和副研究員曹原。前述研究獲得中科院、國家自然科學基金委、科技部、安徽省、上海市等支持。