首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠

从清华新闻网获悉，4月20日，清华大学交叉信息研究院段路明教授研究组在《科学》期刊子刊《科学·进展》上，发表了题为“25个可独立操控的量子接口之间纠缠的实验实现”的研究论文。该项研究首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠，相比于先前加州理工学院研究组保持的4个量子接口之间纠缠的世界纪录在接口数量上提高了约6倍。此项研究成果将对量子信息领域产生重要影响，被评价为“构建第一个量子网络过程中的一个重要的里程碑”。

▲二维原子系综量子接口阵列之间产生和验证量子纠缠的实验装置图

量子接口（Quantum interfaces）用于实现量子信息在光子和存储粒子（通常为原子）之间的相干转化，是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于经典接口的广泛应用，量子接口是量子信息领域的基本元器件，实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。在量子信息科学中，光子拥有最快的传输速度，是传播量子信息的最佳载体，而原子拥有很长的量子相干时间，被广泛用于量子信息的存储。量子接口将光子和存储原子连接起来，实现量子信息在不同载体间的高效相互转换。

构建基于量子通信的量子网络和量子互联网的需求，是为了解决传统电缆和光纤信息传输的可被窃听及被窃听不可发现的缺陷，以及防范传统信息加密算法（比如经典RSA公钥加密算法）在未来可被量子计算机快速破解的问题上提出的。量子保密通信利用量子密钥分发技术在通信双方之间完成无条件安全的密钥传输，使通信双方能够产生并分享一对完全随机的密钥。量子密钥分发技术通过将信息调制在单个光量子态上，利用单光子的不可分割性和量子态的不可复制性，使得任何窃听行为都会对量子态产生不可逆转的扰动被通信双方发现和规避，从物理原理上保证了密钥的不可窃听和不可破解，可广泛应用于军事、外交、金融、电力等诸多领域，保障网络和信息安全。

量子网络将能按需产生任何两个用户之间的纠缠，这将涉及通过光纤网络和卫星链路发送光子。不过，将相隔很远的用户连接起来需要一种能扩展纠缠范围的技术——能沿着中间点在用户间转送。然而，量子网络及量子互联网的构建不仅需要解决量子的远距离纠缠，还需要提升量子纠缠网络的范围，这就将量子网络构建的前景变成了一个系统工程问题，这个问题的解决需要更复杂的量子连接与中继方案。

▲25个原子系综量子接口阵列中量子纠缠的验证

2001年，段路明与合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中继方案，建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。得益于众多原子和光模式之间的集体增强效应，基于原子系综的DLCZ方案是量子接口的一个理想选择，在量子信息领域影响很大，国际上多个研究组致力于实现DLCZ型量子接口及其相互间的量子纠缠。加州理工学院的著名量子信息和量子光学专家金布尔 （Kimble）研究组曾于2010年实现了4个DLCZ型量子接口之间的纠缠，代表此前的国际最高水平。

▲段路明教授

为了实现更多量子接口间的纠缠，构造更大的量子纠缠网络，段路明研究组研发了新颖的二维量子接口阵列，解决了相关技术问题，可以方便地实现多个量子接口间的纠缠。研究人员通过光束复分技术，独立寻址并相干调控5×5的量子接口阵列，制备了多体量子纠缠态。在25个量子接口之间，实验利用纠缠判据以高置信度证明至少存在22体以上的真实纠缠，刷新了量子接口纠缠数量的世界记录。

这项世界记录证明了大范围性的量子接口间的纠缠具备实现的基础，也就是说我们又向未来量子互联网的实现迈进了关键性的一步，量子通信今后将不再只能小范围应用于国家、军事、企业信息安全领域，也将成为每个个体信息安全的保护神。