特約撰稿人|宋向東
日本與加拿大量子通信研究取得重大突破
特約撰稿人|宋向東
全光量子通信系統(tǒng)采取的是“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式,它讓生成“量子糾纏”與交換“量子糾纏”發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn),事實(shí)上在“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式中,量子中繼器只在操作過程中存在。
量子通信,是將原子和光子等微小粒子進(jìn)行巧妙處理,它采用“量子密碼”和“量子隱形傳輸”等技術(shù),是全新的通信手段。量子通信的高速、長(zhǎng)距離化,不僅會(huì)促進(jìn)通信市場(chǎng)創(chuàng)新和擴(kuò)展,而且還能實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)安全。
傳統(tǒng)的量子通信在發(fā)信機(jī)/接收機(jī)間,為了解決光纖的光傳輸損耗問題,需要設(shè)置“中繼器”,即量子存儲(chǔ)器。因此,世界各地的研究機(jī)構(gòu)都在積極進(jìn)行量子存儲(chǔ)器的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
量子存儲(chǔ)器指的是由材料系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器,它是指量子力學(xué)的“疊加態(tài)”,在一定時(shí)間內(nèi)具有“保持”功能。
NTT和多倫多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2015年4月15日宣布,在新的光量子通信系統(tǒng)研發(fā)方面,顛覆了在遠(yuǎn)距離量子通信中必需有“量子中繼器”即“物質(zhì)量子存儲(chǔ)器”的理論,僅使用光的收/發(fā)裝置就能實(shí)現(xiàn)“全光量子通信”,這是一個(gè)重大突破。
實(shí)際上,量子中繼系統(tǒng),通過中繼器實(shí)現(xiàn)光再生,已經(jīng)在歐美問世了。量子中繼系統(tǒng)框圖,如圖1所示。
量子通信的載體是“量子糾纏”,在量子中繼系統(tǒng)中,通過使用量子中繼器,完成量子信號(hào)再生,主要運(yùn)作是通過“生成“量子糾纏””和“交換“量子糾纏””進(jìn)行。圖1中的收/發(fā)信機(jī)及中繼器,都是泛指的量子中繼器,它的作用是通過與其連接的光纖,在發(fā)送和接收設(shè)備之間提供有效的“量子糾纏”。
所謂“量子糾纏”就是在量子力學(xué)中,有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子(如光子)之間,存在某種糾纏關(guān)系,即使距離相對(duì)遙遠(yuǎn),一個(gè)粒子的狀態(tài)改變,也將會(huì)影響到另一個(gè)的狀態(tài)。
與傳統(tǒng)的量子中繼系統(tǒng)不同,全光量子通信系統(tǒng)是傳統(tǒng)量子中繼系統(tǒng)的升級(jí)版,其優(yōu)點(diǎn)更為明顯。在全球范圍內(nèi)推廣量子通信網(wǎng)絡(luò),將使通信網(wǎng)絡(luò)全面升級(jí)換代,也將會(huì)使“量子互聯(lián)網(wǎng)”得到推廣。
圖1 量子中繼系統(tǒng)
圖2 “量子糾纏”生成及光子進(jìn)行長(zhǎng)距離量子通信示意圖
傳統(tǒng)的量子中繼系統(tǒng)如何演進(jìn)成全光量子通信系統(tǒng)?這是NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)需要解決的核心問題,該方案稱為時(shí)間反轉(zhuǎn)型量子通信系統(tǒng),不需要“量子信息接口”和量子中繼器,因?yàn)樗墓鈱W(xué)裝置能夠在常溫下工作,并且也沒有必要配置用于抑制噪聲的冷卻裝置,所以傳輸距離更長(zhǎng)、速率更快。
在歷來(lái)方式中:各個(gè)中繼器通過光子進(jìn)行傳輸,包埋在最近中繼器/發(fā)射器內(nèi)的量子比特,生成“量子糾纏”;確認(rèn)“量子糾纏”生成后,進(jìn)行量子運(yùn)算(“量子糾纏”交換),之后在接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間提供“量子糾纏”;該情況下,因不允許量子運(yùn)算(“量子糾纏”交換)失敗,所以需要量子存儲(chǔ)器。
在時(shí)間反轉(zhuǎn)方式中:各中繼器自身所有的量子比特要事先實(shí)施量子運(yùn)算;然后通過光子傳輸,在接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間提供“量子糾纏”;在這種情況下,由于允許量子運(yùn)算失敗,所以沒有必要配置量子存儲(chǔ)器。
NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方案是如何生成“量子糾纏”及用光子進(jìn)行長(zhǎng)距離量子通信的?如圖2所示。
在歷來(lái)方式中,進(jìn)行交換“量子糾纏”,由中間的量子存儲(chǔ)器,選擇相鄰的中繼器/發(fā)信機(jī)兩邊的“量子糾纏”共享的量子存儲(chǔ)器,對(duì)它們實(shí)施量子運(yùn)算(水平測(cè)試),把經(jīng)由量子存儲(chǔ)器連接的中間狀態(tài)b,移行到用“量子糾纏”捆綁成的最終狀態(tài)c,即“量子糾纏”進(jìn)行直連。
在時(shí)間反轉(zhuǎn)方式中,生成的“量子糾纏”,通過既有的交換“量子糾纏”,各中繼器共享的量子比特,彼此用“量子糾纏”連結(jié)成集群狀態(tài)d,通過讓“量子糾纏”直連,移行到最終狀態(tài)c。
那么NTT和多倫多大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的方案是如何實(shí)現(xiàn)全光量子通信的?首先,各中繼器產(chǎn)生“量子糾纏”用的光子和編碼糾錯(cuò)的光子,做好準(zhǔn)備狀態(tài)。此狀態(tài)為光子檢測(cè)裝置、主動(dòng)前虧技術(shù)和線性光學(xué)裝置,實(shí)現(xiàn)向單一光子集團(tuán)的逐次運(yùn)算提供條件。其次,各中繼器/發(fā)射機(jī)將光子在左右傳送,光子很快碰到,就會(huì)產(chǎn)生“量子糾纏”,其成功的概率很高。最后,在收/發(fā)信機(jī)間供給“量子糾纏”。因此,在全光量子通信系統(tǒng)中,量子中繼器僅在操作過程中使用。
全光量子通信系統(tǒng),采取的是“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式,它讓生成“量子糾纏”與交換“量子糾纏”發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn),事實(shí)上,在“時(shí)間反轉(zhuǎn)”方式中,量子中繼器只在操作過程中存在。
全光量子通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有以下4個(gè)方面。
● 無(wú)限量的通信速度
在歷來(lái)系統(tǒng)中,因?yàn)橐褂梦镔|(zhì)量子存儲(chǔ)器的“記憶功能”,因此在系統(tǒng)的啟動(dòng)中存在“等待時(shí)間”,這就限制了量子通信速度。不使用物質(zhì)量子存儲(chǔ)器的全光量子通信,沒有任何這樣的限制,因此,全光量子中繼系統(tǒng)可以提供不受通信距離限制和極快的通信速度。
● 不需要量子信息接口
在歷來(lái)系統(tǒng)中,物質(zhì)量子存儲(chǔ)器、通信用的光子和處于原理驗(yàn)證階段的“量子信息接口”,都是必須的。而在全光量子中繼系統(tǒng)中,僅需要通信用的光子和收/發(fā)信設(shè)備。
● 全光量子通信系統(tǒng)的技術(shù)已完成原理驗(yàn)證
全光量子通信系統(tǒng)所需要的線性光學(xué)元器件、單光子源、光子探測(cè)器、主動(dòng)前饋技術(shù)等原理驗(yàn)證已經(jīng)完成,目前的狀況是它比物質(zhì)量子存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展還要超前。
● 正常溫度操作
在歷來(lái)的系統(tǒng)中,由于使用物質(zhì)量子存儲(chǔ)器,必須通過噪聲抑制讓物質(zhì)量子存儲(chǔ)器處于超低溫下工作,而全光量子通信系統(tǒng)僅需光學(xué)裝置,原則上它可在室溫下工作。
雖然目前全光量子通信系統(tǒng)的技術(shù)還有待成熟和完善,但技術(shù)原理驗(yàn)證工作已經(jīng)完成,取得了巨大進(jìn)展,商用化已是遲早的事情。