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通信双方之间还需要建立一条量子信道,适用于同时携带SAM和OAM光子的高维量子路由

2020年4月17日 - 创新快车道
通信双方之间还需要建立一条量子信道,适用于同时携带SAM和OAM光子的高维量子路由

最近,我校计算机科学与技术系陈力军教授课题组在量子通信领域取得系列重要进展,提出了基于Spin
Angular Momentum 和Orbital Angular Momentum
的高维量子路由,上述研究结果为高纬度的广域量子通信网络的实现奠定了坚实的基础。

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量子路由是量子网络中的必要器件。不同于经典网络路由的“存储-转发”方式,量子的不可克隆和消相干等特性使得存储量子态是一项很难实现的技术,因此经典网络路由的方法不能适用于量子通信网络。课题组人员利用无干扰测量和量子点技术提出了一种完全量子路由,该量子路由根据控制电子的叠加量子态将量子信号传输到不同的输出端口(如图1.a和1.b所示)。此外,该方案不仅可以适用于仅携带SAM或者OAM,还可以适用于同时携带SAM和OAM的单光子比特。课题组人员使用串联的方式将简单的1-2量子路由扩展到1-n的多级量子路由。研究结果表明,根据不同的电子控制态,量子信号可以在不破坏量子态的基础上传输到正确的输出端口。有关结果发表在【Scientific
Reports, 6, 27033。

资料图:中国用于量子研究的相关设备

研究国家成功传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率达到了87%。

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重要进展:该实验室史保森教授领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储与释放,证明了建立高维量子存储单元的可行性,迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。这项研究成果在线发表在《自然·通讯》上。

以日常生活的经验,任何信息的传输都需要通过实物载体,如信件、电磁波等,即使是当前比较“火”的量子通信,也需要量子传输。然而,国际著名量子光学专家M.
SuhailZubairy小组却在4年前开了一个脑洞,提出一个与人们日常生活中形成的直观认识相悖的“反事实直接量子通信”方案,即不需要传输任何粒子,就可以将信息传递出去。听上去,是不是很匪夷所思?

图1a

量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间,因而一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间,则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加,极大地提高量子通信的效率。此外,利用光子的高维编码态还可以提高量子密钥传输的安全性,并且在量子力学的一些基本问题的研究方面也有非常重要的应用。远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器,而量子存储单元是构成量子中继器的核心,实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的关键。虽然这方面的研究已取得重大进展,但到目前为止实验存储的单光子均为高斯脉冲,且被编码于二维空间,只能实现一个比特的存储。因而,能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。尽管人们已成功实现携带高维空间信息的光脉冲在不同存储体系中的存储,但到目前为止,所有光脉冲均为经典强光或衰减的弱相干光,能否实现和如何实现在单光子条件下高维量子态的存储仍然是量子信息领域中一个急待解决的热点问题。

出人意料的是,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱等与清华大学马雄峰合作,完成了这个“天方夜谭”式的实验,把匪夷所思变成了科学现实。实验室中的通信双方之间没有实物粒子的交换,成功传递了图像信息。论文成果以《利用量子芝诺效应实现直接反事实量子通信》为题发表在国际权威学术期刊《美国科学院院报》上。

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史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决以上问题,并在具有空间结构的光脉冲存储方面所取得系列进展。最近他们首次成功地实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储与释放,证明了高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团,利用其中一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子,并通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量,具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中,实验结果清楚地证明了单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪,通过量子层析技术和干涉技术成功地证明了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持,而态的叠加特性是量子信息之所以不同于经典信息的根本之处。

量子芝诺效应的名字来自古希腊数学家芝诺提出的“飞矢不动”悖论。这个悖论说,一支在空中飞行的箭,其实是不动的。因为箭在每一个瞬间的时刻都应该是静止的,那么无数个静止的组合还应该是静止。这个结论在经典世界里显然是不成立的,是逻辑上的悖论。但在量子力学里,如果一个不稳定的量子系统被连续不断的观测,其状态就会被冻结为一个定态,不会随时间向其他的态演化。这即是“量子芝诺效应”。有一个很形象但并不完全准确的例子来比喻“量子芝诺效应”:一个人准备睡觉,如果旁边另一个人不断询问其是否睡着了,那么可以想象,准备睡觉的人便总也睡不着了。

图1b

该研究成果在正式发表前曾提交到学术网站arxiv,立刻引起人们的广泛关注。MIT的TechnologyReview网站以“第一个存储单光子形状的量子存储器在中国揭开面纱”为题进行了积极评价,副标题为:“世界上第一个可以存储单光子空间结构的量子存储器在祖国诞生”。随后多家网站进行了转载和评述。目前该项工作在线发表在《自然·通讯》,并得到审稿人的高度评价:“这是一项令人印象非常深刻的工作,它为快速发展的量子存储研究制定了一个非常高的标准。事实上作者可以将这项工作分成两篇论文,但作者将这项工作中所展示的单光子的产生、存储、释放及轨道角动量的操控等方面的技术能力结合在一起,代表了量子技术发展中一个令人激动的分水岭。这项工作将在量子信息和量子原子光学领域产生重大影响,也应该是其它物理领域读者非常感兴趣的工作。因而我非常高兴地推荐它的发表,并且期待作者做出更多的工作。”

量子芝诺效应是反事实量子通信的基础。反事实量子通信是指通信双方之间不需要任何量子或者经典粒子的传递即可实现量子态的传递。为了确保这一过程,通信双方之间还需要建立一条量子信道,粒子经过此信道传输的几率一直保持非常低。如果信道中检测到有粒子通过,就需要丢弃这个结果,重新建立或者发送一个新的系统。研究人员需要布置一系列嵌套的光学干涉仪,以实现这种传输方式。

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这项工作得到团队基金委、中科院和科技部的支持。

理论物理学家提出的“反事实直接量子通信”的原始方案要求有无穷多个干涉仪,这在现实科学实验中显然是不可能的,这也是实验物理学家开始认为不可能实现的原因。潘建伟国家通过对原始方案的仔细分析和改进,使得反事实直接量子通信得以实现。一方面,通过使用单光子源,在较少的干涉仪数目下也可以得到完全的反事实性;另一方面,用被动筛选光子到达时间的策略替代原方案中的高速主动光开关等。研究国家实现了技术突破,使用先进的相位稳定技术,首次实现了复杂的嵌套、和串联的单光子干涉仪,并成功传输了一张100×100像素的中国结图片,传输正确率达到了87%。

图1c

相比之下,我们所了解的常规的量子通信,即量子隐形传态,或多或少仍然需要粒子的传输。量子隐形传态基于量子的纠缠特性,纠缠态的量子首先是在一起制备出来,然后分别传送到两端,它们的通信才开始。另外,虽然粒子可以在远距离实现纠缠,它们仍然需要光子在两个粒子之间传播。

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而量子反事实传输是基于“光的相位”进行传输通信方式,这种通信方式之下,光强不再重要。并且由于通信双方之间没有粒子的传输,也使得窃听也变成无源之水、无本之木。因为这项技术可以利用极其微弱的光来实现成像,还能够用来对一些脆弱的文物进行成像,有利于文物的保护和研究。

图1d

这项工作是量子通信领域的全新尝试。潘建伟国家的探索,使得人们有机会更深入地理解量子力学。该工作被《美国科学院院报》的审稿人评论为
“是一个将量子芝诺效应用于通信的新奇实现”以及
“非常有趣且及时”。该工作受到了英国物理学会网站、《科学美国人》、物理学家网等国际权威媒体的专题报道。

图1. 适用于仅携带自旋角动量SAM光子的量子路由;
适用于仅携带轨道角动量OAM光子的高维量子路由;
适用于同时携带SAM和OAM光子的高维量子路由;
适用于同时携带SAM和OAM光子的多级高维量子路由。SAM/OAM phase
gate可以改变不同路径上叠加态的相位差,从而使得Mach-Zehnder干涉仪根据不同的相位差将光子传输至不同的输出端口。

相关链接

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量子芝诺效应的物理解释

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考虑一个系统,经过一次测量后得到本次测量的本征态A,测量过后,系统自由演化,可能会演化到另一本征态B,因此在下一次测量到来之前,系统处于A和B的叠加态,且系统处于B态的概率是随时间线性增加的。在大测量数目和短测量时间的限制下,系统将会被“冻结”到A态。

图2.
量子路由对同时携带SAM和OAM的单光子作用成功概率;多级量子路由的成功概率。

(原载于《科技日报》 2017-06-01 05版)

反事实量子通信可以在量子信道上不传输任何量子信号的前提下完成通信任务,从而进一步提高了量子通信的安全性。课题组人员提出了一种实现多方纠缠分发的反事实方案。首先,使用双方反事实纠缠分发得到光子-电子纠缠对,再利用原子微腔系统得到光子-光子纠缠对,这些光子-光子纠缠对利用纠缠分束器连接光子-电子纠缠对,通过单光子的相互交换,从而得到多方的电子纠缠,如图3所示。有关结果发表在【JOSA
B, 33: 663-669 。

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图3. 多方纠缠分发的效率

课题组人员提出了两种实现三方纠缠分发的反事实方案,一种方案是使用光开关将三方分别与吸收物质进行干涉,利用“链式”量子芝诺效应,三方以完整的反事实干涉概率完成纠缠分发任务,另一种方案是使用Michelson-type干涉仪交换两对纠缠态,从而使得三方的光子处于纠缠态,另外,由于方案中使用的两个吸收物质相距很远,该方案使得可实现的纠缠分发距离加倍,如图4所示。有关结果发表在【
Optics express, 23: 21193-21203 。

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图4. “链式”量子芝诺效应的参数影响

该研究工作得到了国家科技支撑计划、国家自然科学基金、江苏省科技支撑计划和中央高校基础科研业务费等项目的资助。

(计算机科学与技术系 科学技术处)

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