近日,我国在基于量子中继的量子通信网络技术方面取得了重大突破,实现了两台相距50公里光纤端点之间的量子纠缠,这一成果是中国科学技术大学、济南量子技术研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所等单位合作研究的结果。通过高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换和远程单光子精密干涉等先进技术,科学家们成功地将这两台存储器进行了纠缝,为构建基于量子的中继网络奠定了坚实的基础。
目前,上述方法主要依赖于卫星传输来实现广泛覆盖,再通过地面光纤网络进行城域和城市间的地面覆盖。然而,由于光信号在长距离传输时会出现指数级衰减的问题,因此当前点对点的地面安全通信距离仅限于百公里左右。为了解决这一问题,并实现长距离安全通信,我们曾尝试采用分段传输,以及通过量子的中继来逐步提升传输距离,但之前最远只能达到几千米。
本次研究团队采用了一种环形腔增强技术来提高单个光子的与原子的耦合效率,并且优化了整个系统的传输效率。这使得我们能够显著提高原有的光与原子的纠缓效果。在此基础上,我们还自主研发了一种周期极化铌酸锂波导,将原本使用的近红外波段(795nm)调整到了更适用于通讯用的波段(1342nm),这样经过50公里的大型多模玻璃线路后,只有3%的能量损失,这比之前在同样的条件下,仅保留1/100万亿分之一强大;而且,我们设计并实施了一套双重相位锁定方案,以确保即便是在远程环境下也能保持良好的干涉效果,使得经过50公里线路后的偏移控制在非常小的范围内,即50纳米左右。
最后,我们将所有这些创新性的方法整合起来,不但成功地完成了两个节点之间经过50公里线路上的纠缷,还展示了一个节点到另一个位于22公里之外的一个节点之间也是可行的情况。这项重要发现已经吸引到了包括美国《科学》杂志、麻省理工科技评论、美国《科学新闻》以及英国《新科学家》的广泛关注,他们认为我们的工作为推动建立真正意义上的“量子互联网”迈出了关键一步。