跟踪量子通信发展的脚步

  自由空间星地量子通信进展
  2005年,潘建伟研究组在国际上首次在相距13公里的两个地面目标之间实现了自由空间中的纠缠分发和量子通信实验,明确表明光量子信号可以穿透等效厚度约10公里的大气层实现地面站和卫星之间自由空间保密量子通信。2007年,该小组在长城实现了16公里水平高损耗大气信道的量子隐形传态,这是国际第一个远距离自由空间隐形传态实验,实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换。这一实验和基于卫星平台的量子通信实验研究一起,为真正实现地面与卫星间的量子通信实验积累相关技术经验。2008年,该小组在上海天文台对高度为400公里的低轨卫星进行了星地量子信道传输特性试验,验证了星地量子信道的传输特性,首次完成星地单光子发射和接收实验。2012年,该小组在国际上首次成功实现了自由空间的百公里量子隐形传态和量子纠缠分发,证明了卫星与地面站间进行量子通信的可行性。2013年,以该小组为主导的团队,在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面验证,为我国发射量子科学实验卫星,实现全球化量子网络,奠定坚实的技术基础。
  在欧洲,奥地利Zeilinger教授领导的欧洲联合研究组受欧洲空间局支持,于2007年实现了相距144公里的两个岛屿之间的单光子传输和密钥分发。欧洲空间局计划在此基础上继续加大力度,支持国际空间站和地面光学站之间的量子物理和量子信息研究。
  利用卫星建立超远距离(空间大尺度)的量子信道的方案:当卫星通过地面站上空的时候,利用装载在地面站和卫星上的高精度的捕获和跟瞄系统实现双方的相互对准和跟踪,建立量子信道并完成相应的空间量子实验。主要的困难有:一是如何维持卫星与地面站之间稳定的光学耦合效率,这就需要高精度的动态跟踪系统和大口径的望远镜系统。二是如何延长卫星的跟踪时间和有效实验时间,这就涉及到合适的卫星选轨和地面站选址。三是如何克服恶劣的天气状况等。

自由空间量子通信示意

  量子中继器研究进展
  量子中继器的核心在于量子存储,一直以来都是重大的挑战。没有量子存储器,实现量子通信的成本将随通道长度指数增加。2001年,结合线性光学和原子系统,段路明等提出实现量子中继器实现方案(DLCZ方案),但是该方案难以在现实通信环境中实现。为了克服相关的缺陷,2006年,潘建伟小组提出了一种容错的量子中继器方案(哈佛大学的Lukin小组也独立地提出了类似的理论方案),给出了一个原始的量子中继器物理实现方法。基于这些方案,国际上有多个实验小组先后开展了原子系综相关的实验研究,如哈佛大学的Lukin小组、CIT的Kimble小组、乔治亚理工学院的Kuzmich小组、中国科学技术大学和德国海德堡大学的潘建伟联合小组。这方面的研究已取得了一系列激动人心的进展,包括实现了可控的单光子源、单光子的读出和异地存储、光子-原子系统纠缠等。2008年,潘建伟小组取得了突破性进展,通过纠缠交换实现了由300米光纤相连的两团冷原子气体的量子纠缠,完美地构建了量子中继器的一个基本节点,向远距离量子通信迈出了重要的一步。2009年,该研究组又将量子存储的时间提高到毫秒量级,这是目前国际上时间最长的量子存储,较之前最好的结果提高了两个量级。2010年,Kuzmich小组实现存储寿命达到100毫秒,此为目前最长的读存储寿命,但读出效率很低,只有20%。2012年,潘建伟小组通过一系列技术难题的攻克,成功实现了3.2毫秒的长存储寿命及高达73%的读出效率,该成果为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。
  目前,基于冷原子气体和线性光学器件的量子中继器实验实现中,还存在一些重要的问题需要解决:存储寿命目前最好是毫秒量级,需要进一步提高1~2个量级;所存储的量子态的读出效率受到限制,受原子系统光学厚度的影响,目前最好的读出效率在30%~40%;量子存储装置复杂,存储难度大等。

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