清華量子網路里程碑：量子介面實驗成果超世界紀錄6倍！

智東西4月24日消息，從清華新聞網獲悉，4月20日，清華大學交叉信息研究院段路明教授研究組在《科學》期刊子刊《科學·進展》上，發表了題為「25個可獨立操控的量子介面之間糾纏的實驗實現」的研究論文。該項研究首次實現了25個量子介面之間的量子糾纏，相比於先前加州理工學院研究組保持的4個量子介面之間糾纏的世界紀錄在介面數量上提高了約6倍。此項研究成果將對量子信息領域產生重要影響，被評價為「構建第一個量子網路過程中的一個重要的里程碑」。

二維原子系綜量子介面陣列之間產生和驗證量子糾纏的實驗裝置圖

量子介面（Quantum interfaces）用於實現量子信息在光子和存儲粒子（通常為原子）之間的相干轉化，是連接量子存儲器或量子計算單元與光量子通信通道間的重要界面。類似於經典介面的廣泛應用，量子介面是量子信息領域的基本元器件，實現量子介面之間的糾纏是構建量子網路和未來量子互聯網的一個基本要求。在量子信息科學中，光子擁有最快的傳輸速度，是傳播量子信息的最佳載體，而原子擁有很長的量子相干時間，被廣泛用於量子信息的存儲。量子介面將光子和存儲原子連接起來，實現量子信息在不同載體間的高效相互轉換。

構建基於量子通信的量子網路和量子互聯網的需求，是為了解決傳統電纜和光纖信息傳輸的可被竊聽及被竊聽不可發現的缺陷，以及防範傳統信息加密演算法（比如經典RSA公鑰加密演算法）在未來可被量子計算機快速破解的問題上提出的。量子保密通信利用量子密鑰分發技術在通信雙方之間完成無條件安全的密鑰傳輸，使通信雙方能夠產生並分享一對完全隨機的密鑰。量子密鑰分發技術通過將信息調製在單個光量子態上，利用單光子的不可分割性和量子態的不可複製性，使得任何竊聽行為都會對量子態產生不可逆轉的擾動被通信雙方發現和規避，從物理原理上保證了密鑰的不可竊聽和不可破解，可廣泛應用于軍事、外交、金融、電力等諸多領域，保障網路和信息安全。

量子網路將能按需產生任何兩個用戶之間的糾纏，這將涉及通過光纖網路和衛星鏈路發送光子。不過，將相隔很遠的用戶連接起來需要一種能擴展糾纏範圍的技術——能沿著中間點在用戶間轉送。然而，量子網路及量子互聯網的構建不僅需要解決量子的遠距離糾纏，還需要提升量子糾纏網路的範圍，這就將量子網路構建的前景變成了一個系統工程問題，這個問題的解決需要更複雜的量子連接與中繼方案。

25個原子系綜量子介面陣列中量子糾纏的驗證

2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案，建議用原子系綜作為光子與存儲器之間的量子介面。得益於眾多原子和光模式之間的集體增強效應，基於原子系綜的DLCZ方案是量子介面的一個理想選擇，在量子信息領域影響很大，國際上多個研究組致力於實現DLCZ型量子介面及其相互間的量子糾纏。加州理工學院的著名量子信息和量子光學專家金布爾 （Kimble）研究組曾於2010年實現了4個DLCZ型量子介面之間的糾纏，代表此前的國際最高水平。

段路明教授

為了實現更多量子介面間的糾纏，構造更大的量子糾纏網路，段路明研究組研發了新穎的二維量子介面陣列，解決了相關技術問題，可以方便地實現多個量子介面間的糾纏。研究人員通過光束復分技術，獨立定址並相干調控5×5的量子介面陣列，製備了多體量子糾纏態。在25個量子介面之間，實驗利用糾纏判據以高置信度證明至少存在22體以上的真實糾纏，刷新了量子介面糾纏數量的世界記錄。

這項世界記錄證明了大範圍性的量子介面間的糾纏具備實現的基礎，也就是說我們又向未來量子互聯網的實現邁進了關鍵性的一步，量子通信今後將不再只能小範圍應用於國家、軍事、企業信息安全領域，也將成為每個個體信息安全的保護神。

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