【Quantum系列】建構量子通訊網路又跨進一步
發布日期： 2020-04-10-2021-04-10
光電協進會
《自然》期刊近期刊載了一篇由中國科學技術大學潘建偉教授所署名的量子糾纏配送論文，該論文公佈了潘建偉團隊做出22公里的糾纏傳遞，締造了世界紀錄。《自然》期刊另外也刊登了加州理工學院(Caltech)所製作的光學微小腔體，該光腔可以實現量子通訊網路。
目前在空中或光纖中傳遞或製造糾纏光子仍很困難，因為環境與傳輸損耗限制了光子分發的成功率，也限制了量子糾纏的距離；先前讓兩個靜態量子位元產生糾纏的最大距離僅為1.7公里。由潘建偉教授所領導的團隊，包括合肥中國科學技術大學（USTC）、濟南量子技術研究所、上海微系統與信息技術研究所（SIMIT）等研究人員先在兩個遠距離節點上各自準備量子存儲器（一種可以存儲量子態的物質）和糾纏光子，再把這兩光子傳輸到一個共同的中間系統，對這兩個光子做干涉操作，就可以把兩個遠距離的量子位元映射成遠程糾纏態。
上述實驗即需要先準備好原子與光子之糾纏，然後再讓光子在光纖中儘量降低傳輸損耗，以及最後在中間節點處實現干涉。原子與光子之糾纏是利用一種稱為腔增強的量子效應來製造原子簇和光子的糾纏。而為了降低光子的傳輸損耗，該研究團隊利用差頻產生器（DFG）將近紅外光子轉移到電信O頻帶（1342nm），以便與標準的光纖相容。兩道信差光子通過兩條平行的11公里長的光纖，從合肥中國科學技術大學傳輸到中間節點。最後，他們在雙光子干涉機制下實現了兩個量子位元的糾纏；算是跨越了22公里。該團隊緊接著複製這實驗而達到50公里長的遠端糾纏。此研究參與者中科大包小輝教授說：本實驗的創新是發展出相容於傳統光纖的原子與光之糾纏技術，以及實現了光源經由光纖傳輸後的遠距離干涉。此項技術可以糾纏了兩個量子記憶的設備，並允許遙遠的量子電腦協同工作。
美國加州理工學院最近也發表了“光腔”(Optical Cavities)技術，以作為未來量子電腦網路的骨幹技術，意即該技術可以在量子電腦之間傳遞一些不改變量子態的訊息。通常為了讀取量子資訊並將其傳輸到其他地方，原子會因光脈衝而激發出光子，其光子的自旋會與原子的自旋糾纏在一起。然後光子可經由光纖傳送出與原子糾纏在一起的資訊。但要找到可以控制與測量的原子是困難的，所以加州理工學院變提出了光腔技術，來解決原子的控制與測量問題。
該校Andrei Faraon教授的研究小組設計出一種特殊的光學腔，來讓光來回反射，直到它最終被一個量子位元離子所吸收。該光學腔體是在晶體中雕刻出約10微米空穴，內壁具有週期性的奈米圖案。他們讓一種稀土元素鐿離子(ytterbium)放置在光束中，而光腔則會多次反射光束，直到光束被鐿離子吸收。這個光腔可以讓離子有一個適當的環境，使得離子激發出光子時，超過99%的光子可以停留在腔體中，進而讓科學家可以有效地收集和探測光子，來量測離子的狀態。
此外，鐿離子可在其自旋中存儲30毫秒的資訊，在這段時間足夠讓光子傳遞資訊過整個美國大陸。Faraon教授認為鐿離子的吸收和激發光子的方式正是我們量子網路所需要的，所以這可能成為量子電腦網路的骨幹技術。
潘建偉教授所引領的量子糾纏記憶與儲存是建構量子電腦網路不可或缺的技術，且該技術還可在現有的光纖網路上實現。加州理工大學所提出的光腔技術也是未來量子網路的選項。光電協進會觀察到，中美在量子科技爭霸賽中正戶別苗頭，目前在量子通訊方面中國大陸已拔得頭籌，而在量子計算方面美國企業則率先實現量子優勢(Quantum Supremacy)。中美在量子科技上的相互競爭與偕同進步將加快量子科技產業化的速度。
