上接：
【】量子計算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，終端會通過量子網(wǎng)路聯(lián)接上去，在實(shí)現(xiàn)收發(fā)海量信息的同時，量子計算機(jī)群的整體能力也將呈指數(shù)級下降。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前正在加快開發(fā)借助遍及世界各地的光纖進(jìn)行的量子通訊技術(shù)。札幌學(xué)院量子信息?量子生命研究中心特任院長（現(xiàn)東京學(xué)院特命院長室特命院長）井元信之成功否認(rèn)了量子中繼器的原理，長距離的條件下也能抑制因光耗損而出現(xiàn)的傳輸速率增長問題，實(shí)現(xiàn)光子的量子態(tài)傳輸，面向?qū)崿F(xiàn)“全球量子網(wǎng)路”邁出了堅實(shí)的腳步。
井元信之：札幌學(xué)院量子信息?量子生命研究中心特任院長（現(xiàn)東京學(xué)院特命院長室特命院長）/2016～2021年度CREST研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人
在美國見證概念的誕生
惱人的量子成為開拓可能性的關(guān)鍵
支撐了現(xiàn)今信息社會的是以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的信息通訊技術(shù)的發(fā)展。其中，就能大容量、高速傳輸信息的光纖網(wǎng)發(fā)揮著重要作用。另一方面，隨著信息社會的發(fā)展，作為安全性高的通訊手段，人們對量子通訊的關(guān)注日漸攀升。
在量子通訊中，基于量子熱學(xué)的“既是0又是1”的疊加態(tài)量子比特被作為信息單位。在量子比特之間，當(dāng)一個量子比特態(tài)被確定后，另外的量子比特態(tài)也會急劇確定，這些現(xiàn)象便是量子熱學(xué)特有的“量子糾纏”現(xiàn)象日本量子通訊，量子信息就是基于這些現(xiàn)象進(jìn)行傳輸?shù)摹榇耍虢⑹褂霉饫w的量子網(wǎng)路，不僅傳統(tǒng)的光通訊技術(shù)之外，還須要對應(yīng)量子信息的新技術(shù)。
具體做法是，將坐落遠(yuǎn)距離一側(cè)的發(fā)送端和接收端之間分成多個短距離區(qū)間，用量子中繼將各個區(qū)間兩端的糾纏聯(lián)接上去，產(chǎn)生發(fā)送端和接收端之間的長距離糾纏，之后借助這種糾纏將發(fā)送端的量子信息一次性傳送到接收端。此時，為了在所有區(qū)間同時產(chǎn)生糾纏就要不斷重復(fù)這個過程，就像沒有中繼的情況那樣，等待時間會隨著距離呈指數(shù)性降低。并且，假如對成功產(chǎn)生糾纏的區(qū)間保留糾纏，對仍未產(chǎn)生糾纏的區(qū)間重復(fù)產(chǎn)生的過程，等待時間就可以由指數(shù)降低為距離的式子。
要做到這一點(diǎn)，就須要擁有在不破壞量子信息的條件下用光來讀寫的技術(shù)、在信息傳輸過程中臨時保管糾纏狀態(tài)的量子中繼器，以及接收信息的量子接收器等與目前的光通訊設(shè)備原理完全不同的設(shè)備和系統(tǒng)。推動這些“長距離量子網(wǎng)路”研究的是札幌學(xué)院量子信息?量子生命研究中心的井元信之特任院長（現(xiàn)東京學(xué)院特命院士）。
井元院士于1977年加入德國電報電話公社（現(xiàn)NTT），并始終在武藏野通訊研究所從事光通訊研究。NTT自1980年代中期以來始終在建立光纖網(wǎng)路，井元院士通過光波復(fù)用通訊等技術(shù)革新，為信息網(wǎng)路的進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)。以后，在1985年左右，他又開始研究量子干擾對光通訊的不利影響。
井元院士為了解決量子的不利影響，開始真正投入量子研究的抓手是1990年發(fā)生在美國弗吉尼亞學(xué)院的一件事情。井元院士介紹說：“我特別辛運(yùn)地在哪里見證了量子計算機(jī)和量子密碼概念的誕生。雖然我在中學(xué)生時代就對量子熱學(xué)感興趣，但這兩個概念的誕生，使我重新意識到了它的有趣！于是，我開始了量子信息處理的研究”。以前惱人的量子反倒成為了開拓新型光通訊可能性的關(guān)鍵。2004年，井元先生卸任札幌學(xué)院院長，繼續(xù)從事實(shí)現(xiàn)長距離量子網(wǎng)路的基礎(chǔ)研究。
轉(zhuǎn)換成適宜光通訊的波長
成功實(shí)現(xiàn)10公里傳送
基于取得的研究成果，井元院士成立了一個以札幌學(xué)院為中心的研究團(tuán)隊(duì)，于2016年起在CREST舉辦了“實(shí)現(xiàn)全球量子網(wǎng)路”為主題的研究項(xiàng)目。該研究的主要目標(biāo)是研究長距離量子網(wǎng)路中的關(guān)鍵技術(shù)“量子中繼”的要素技術(shù)。目前在長距離光纖網(wǎng)路中，每隔幾十公里就要安裝一個中繼器，儲存?zhèn)魉蛠淼男畔ⅲ⑺p的光訊號增速后再發(fā)送出去。在量子通訊中，這種中繼器必須更換成量子通訊中繼器。
在量子中繼中，起到儲存信息作用，向儲存器讀寫信息時使用的是780nm（1nm為十億分之一米）可見光附近的長波。倘若直接進(jìn)行光纖傳輸信息的話，還會遭到光訊號急速衰減的困局。
因此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高性能的波長轉(zhuǎn)換器，可將從量子儲存器讀取信息的可見光轉(zhuǎn)換成為不破壞量子信息、且適宜光通訊的1,522nm近紅外光。2016年，研究團(tuán)隊(duì)使用冷卻銣原子的量子儲存器，將量子信息轉(zhuǎn)換為近紅外光并在光纖網(wǎng)路中傳送，確認(rèn)可以在保持量子信息的同時讀寫信息（圖1）。
圖1.銣原子云量子比特發(fā)生器（左）和表示電子云產(chǎn)生的亮點(diǎn)（右）。實(shí)驗(yàn)裝置配備了用于真空捕獲量子比特的銣原子云的玻璃單元，用于產(chǎn)生捕獲磁場的線圈和原子供應(yīng)源（左）。紅外單反拍攝到的代表在真空玻璃單元中產(chǎn)生了原子云的亮點(diǎn)。這個小光團(tuán)起到一個量子比特的作用。今后，將開發(fā)才能捕獲更多的微小光團(tuán)“原子芯片”，實(shí)現(xiàn)多量子比特集聚。
該成果進(jìn)一步發(fā)展后，2018年又實(shí)現(xiàn)了“無偏光依存型波長轉(zhuǎn)換器”，通過波長轉(zhuǎn)換器和光學(xué)干擾儀的一體化，可以在不改變光子偏光狀態(tài)的前提下將光訊號轉(zhuǎn)換為通訊頻帶的波長（圖2）。據(jù)悉，通過轉(zhuǎn)化鈣離子發(fā)出的光子的波長，在保持其量子特點(diǎn)的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了10km以上的長距離量子通訊，創(chuàng)造了當(dāng)時世界上最長距離的量子通訊記錄。井元院士表示：“由此，實(shí)際驗(yàn)證了借助光纖網(wǎng)路，在遠(yuǎn)距離相隔的原子儲存器之間可以形成量子網(wǎng)路，并實(shí)現(xiàn)長距離的安全通訊。”
圖2.由無偏光依存型波長轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的量子網(wǎng)路。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，新開發(fā)的波長轉(zhuǎn)換器將光子的波長轉(zhuǎn)換為光纖通訊波長，并確認(rèn)到由冷卻原子構(gòu)成的量子儲存器和光纖通訊波長的光子之間產(chǎn)生了量子網(wǎng)路。由此，在量子比特儲存器（由近可見光子構(gòu)成的讀寫原子云）和通訊用量子比特（近可見光倍波長的光子）之間才能自由形成量子糾纏。
緊接著在2019年，研究團(tuán)隊(duì)又在世界上首次成功驗(yàn)證了完全由光學(xué)元件組成的“全光量子中繼”的原理，獲得了有助于實(shí)現(xiàn)高速、低幀率“全球量子網(wǎng)路”的重大科研成果。據(jù)悉，還驗(yàn)證了由量子糾纏首次實(shí)現(xiàn)的“時間逆轉(zhuǎn)”這一全新原理日本量子通訊，同時，還在世界上首次施行了在量子中繼所必須的兩個粒子的糾纏狀態(tài)中哪種狀態(tài)為最大的“自適應(yīng)貝爾檢測”，因而引起了強(qiáng)烈反響。
井元院士總結(jié)道：“雖然還有諸如網(wǎng)路架構(gòu)、無耗損集成光路和量子糾纏光源的研制，以及對應(yīng)高效通訊的量子接收器等等好多課題亟需解決，但我相信，此前的一系列的研究早已向全球量子網(wǎng)路時代邁出了重要的一步。”
量子通訊是一項(xiàng)除了給光纖網(wǎng)路，還給衛(wèi)星通訊等無線通訊領(lǐng)域也會帶來巨大變遷的技術(shù)革新，目前，量子加密通訊技術(shù)早已逐漸實(shí)用化，今后，作為支持社會基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)，其重要性將會進(jìn)一步增強(qiáng)。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：9月號
翻譯：JST客觀臺灣編輯部