本文轉自：解放日報

中美論文同時登上《自然》

量子通信科研有何新突破

俞陶然

■林梅博士認爲，在未來可行性驗證方面，中國科大團隊構建的城域三節點量子網絡優於哈佛團隊建立的光纖鏈路。因爲後者只有兩個節點，而網絡雛形至少要包含三個節點，這樣才能驗證其通信切換的功能——當A、B兩個用戶在利用量子網絡進行通信時，C用戶可隨時切入，與A或B用戶進行通信

本報記者 俞陶然

最近，中國科技大學、哈佛大學的量子通信論文在同一期《自然》雜誌發表，引發業內和社會關注。依託中國科大組建的中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、包小輝、張強等科研人員構建了全球首個基於量子糾纏的城域三節點量子網絡；哈佛大學米哈伊爾·盧金團隊利用波士頓地區的電信光纖，首次在金剛石SiV（硅空位）色心體系中實現了雙節點遠距離量子糾纏，光纖距離達到35公里左右。

這兩項科研突破背後的科學原理是什麼？哪個成果的水平更高？有什麼應用價值？記者採訪了中國科大專家團隊。

量子通信爲何能防竊聽

量子通信的科學原理源於量子力學，這是與經典力學差異很大的物理學分支，也是迄今爲止描述微觀世界最準確的理論。專家介紹，一個物理量如果不能連續變化，只能取一些分立的值，這個量就是量子化的。宏觀世界裏的物理量似乎都能連續變化，但在微觀世界裏，很多物理量是量子化的，即存在一個最小的單位，不能再往下分割。

經典力學描述一個宏觀物體的狀態，會給出它的明確位置。而量子力學描述一個微觀粒子的狀態，給出的是疊加態——這個粒子在某些情況下既可能在這裏，也可能在那裏，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術，它能同時出現在多個地方，各個分身就像是孫悟空的疊加態。

在通信領域，經典通信的信號只有0和1，量子通信不僅有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。這種疊加原理導致了量子不可克隆原理：在量子力學中，不可能實現對一個未知量子態的精確複製。這是量子通信達到“無條件安全”的基礎。

任何經典通信都存在被竊聽的可能。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通信雙方無法察覺。而量子通信可以將信息編碼，加載到單個光子的量子疊加態的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能再分割，其量子狀態無法被精確複製，任何竊聽行爲都會對其造成擾動，被通信雙方察覺。通過量子態傳輸，通信雙方協商生成量子密鑰，再加上對信息進行“一次一密”的加密保護，可實現信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上確保通信安全。

中國科大效率優勢明顯

“在量子信息領域，糾纏是非常寶貴的資源。量子通信中，量子密鑰分發就是利用糾纏的非定域性，通過比對發送方和接收方手中糾纏的測量結果，確定密鑰的安全性。”中國科大博士、“墨子沙龍”科普作家林梅說，當幾個微觀粒子彼此相互作用後，各個粒子的特性會綜合成整體性質，無法描述單個粒子的性質，這種現象被稱爲“量子糾纏”。

最近發表於《自然》的中國科大成果，是研究團隊利用冷原子系綜，首次通過單光子干涉在獨立存儲節點間建立量子糾纏，並在此基礎上構建了全球首個基於糾纏的城域多節點量子網絡，將量子糾纏網絡實驗的距離由幾十米延長到幾十公里。

糾纏效率是量子糾纏網絡實驗的重要指標，與哈佛大學團隊在《自然》上發表的成果相比，中國科大成果的糾纏效率高兩個數量級以上，優勢明顯。

爲保密通信提供支撐

哈佛團隊取得的重要突破是：首次在SiV色心體系實現了雙節點遠距離糾纏。與中國科大的幾十公里糾纏網絡水平相近，哈佛團隊先讓兩個量子存儲節點糾纏在一起，再通過光纖鏈路將這兩個節點分開，部署在穿過劍橋、薩默維爾、沃特敦和波士頓的約35公里環路上。這意味着，他們也實現了城域級別的量子通信。

波士頓地區的兩個量子存儲節點都由金剛石薄片製成，其內部原子結構中有一個缺陷，稱爲SiV中心。使用SiV中心作爲單光子的量子記憶設備，是哈佛團隊研究多年的技術路線。它解決了量子互聯網理論中的一個難題——無法以傳統方式增強信號。根據量子不可克隆原理，一個未知量子態不可能被精確複製，所以量子網絡無法採用光纖信號中繼器，導致數據很難長距離傳輸。

基於SiV中心的量子網絡節點不僅能捕獲、存儲和糾纏量子信息位，還能糾正信號丟失，讓長距離數據傳輸成爲可能。哈佛團隊已將演示網絡安裝在現有光纖上，展示了創建具有類似網絡線路的量子互聯網的可行性。

林梅博士認爲，在未來可行性驗證方面，中國科大團隊構建的城域三節點量子網絡優於哈佛團隊建立的光纖鏈路。因爲後者只有兩個節點，而網絡雛形至少要包含三個節點，這樣才能驗證其通信切換的功能——當A、B兩個用戶在利用量子網絡進行通信時，C用戶可隨時切入，與A或B用戶進行通信。