让纠缠停一会儿

中科院半导体所 昨天

以下文章来源于墨子沙龙 ，作者林梅

墨子沙龙
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墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。




作者 | 林海
来源 | 墨子沙龙 



纠缠，这个词我们都已经不陌生了，自从小编带大家一起走近量子科学，纠缠这个神奇的概念，就无数次地被我们提起。爱因斯坦曾经称之为“遥远距离的鬼魅互动”，至今也没有人不为它感到困惑，它也因此被很多人叫做“量子幽灵”。

今天的科学家当然也为这个百岁的幽灵深深吸引，但是，对这个幽灵的本质不完全了解，并不妨碍科学家已经开始将它用到各种场合。纠缠，作为量子技术里关键的资源，早已在很多舞台大展拳脚。

我们常说，量子密码学的核心是量子密钥分发，量子密钥的传递区别于经典通信最显著的一点就是无条件的安全性。量子力学之所以能在根本上改变密码学的面貌，是源于量子密码的不可克隆原理——任何人想窃取密钥，就必须进行相应的测量，根据不可克隆原理，这个测量的动作，必定会改变原本系统的量子状态，从而暴露了自己。

但是，量子态的这个独特的优势也伴随着一些相应的劣势。我们拿单光子来说吧，它的确是量子密钥一个很好的选择，实际上，在光纤和自由空间的量子通信实验中，已经很好地证明了这一点。但是，单光子的这个“单”字也恰恰是它的弱点。



为什么需要量子中继？


我们知道，在经典通信里，无论是光纤传输还是自由空间传送，都要考虑到“损耗”这个问题。克服损耗的办法之一就是中间利用中继站对信号进行放大，这样做，一来，经过长距离的损耗之后，信号光还有不少；二来，也可以保证信号相对于背景噪声来说比较显著。

量子中继的一般步骤  
来源|Reviews of Modern Physics, 2011, 83(1): 33

但是这种做法，在量子通信中却不是非常行得通。因为光纤的损耗随着距离呈指数增长，对于单光子来说，距离稍长一些，终端的成码率可能就会低到不忍卒睹的程度。我们可以做一个估算，假设损耗系数是每公里0.2dB，传输十公里信号剩63%，千公里就成了1×10-20，哪怕我们用10GHz的频率发射光子，接收端想要收到一个光子，也得等上几百年。

要知道，由于量子的不可复制，发射端的光子强度是不可以像经典通信那样在中途用中继站任意放大的。

如果说是做做演示实验，那尚可用短距离量子密钥分发完成；但要想量子通信走向实际应用，就必须要解决这个损耗的问题。为了解决这个问题，1998年，科学家提出了“量子中继”这个概念。

量子中继的一般步骤
来源|Nature, 2008, 453(7198): 1023

简单来说，量子中继，就是把长距离拆分成一段段小距离，既然长距离的指数损耗太惊人，那就通过这种拆分的方法，让纠缠一小段一小段的联系在一起，这样，整个来看，指数级的信号衰减就变成了多项式级别，成码率会大大提升。

那么你也许不免要问，分段传输，就能起到这么神奇的效果吗？分了段，距离该多长还是多长呀。

没错，简单的分段确实不能起到这样的效果。量子中继之所以能做到这一点，还需要一个关键的操作——量子存储。




让纠缠赴一场约会


我们知道，光子是一个精力异常充沛的小孩儿，简直一刻都不愿意停下来，总是以光速在跑啊跑。这就导致在对段与段之间的纠缠进行连接（纠缠交换）的时候，两边的光子不一定正好能碰上面。就像一对约会的小情侣，如果赴约的时间比较随机，一方到了，看没人，就走了，等另一个到了，已经找不到人了。而两人同时到的几率毕竟太小。怎么办呢？只能先到的那个等一等，这样才有比较大的几率成功碰上面儿。

同样的道理，对付喜欢跑的光子，量子中继的关键操作就在于——让纠缠光子停一会儿。也就是说，纠缠光子到来的时候，先存入存储器，需要的时候再拿出来。这样，光子才能尽可能不浪费，效率也就提高了。




免“写入”的存储方案


实现量子存储的方案可谓百花齐放，固态和气态体系都有过很不错的展示，在保真度、存储时间、存储带宽、读出效率等指标上，各有优缺点。总的来说，大致都是先产生一对纠缠光子，然后分别发送到两端，“写入”到两端的存储器上，需要的时候再“读取”出来。毕竟，经典的存储，大致也是这样一个过程。

2001年的时候，段路明等人提出了著名的DLCZ 方案（Duan-Lukin-Cirac-Zoller protocol），把光子“写入”这个过程给省略了。这种方法大大提高了效率。

不写入，还叫做存储吗？这是何道理？

准确地说，这种方法是把“第一步——产生纠缠光子”和“第二步——写入光子”合二为一了。

究竟是怎么做呢？我们知道，原子存在很多个能级，吸收光子，原子可能会激发到高能级，而从高能级退激发到低能级，也会放出光子。由于量子力学的一些规律，吸收和放出的光子与原子本身存在某些联系——也就是纠缠。正是利用这个道理，科学家在制备纠缠态的同时，也将某种“态”写入了原子。

科学家首先将g态的原子激发到e态上，而处在e态的原子有一部分会辐射一个光子，跃迁到s态上，这个辐射出来的光子叫做斯托克斯光子，我们可以看到，如果产生了一个斯托克斯光子，就意味着有一个原子处于s态，反之，若未产生斯托克斯光子，则没有原子处于s态，形成了光子和原子”Fock”态（粒子数态）的纠缠。这样，等于是产生了一对纠缠光子，并将其中一个存储在了原子里。

而读出的过程，就是上面这个过程的逆操作，将s态的原子激发到e态，再退激发回到g态，放出一个反斯托克斯光子。当然，如果s态本身没有原子，自然也不会放出光子。

此外，还需要一个将小段与小段连接起来的过程，科学家叫它纠缠交换。这样，理论上量子中继就可以实现了。

这种方法是利用量子存储自身来产生纠缠资源，可以大大提高效率，为量子中继的发展提供了新思路。



改良版DLCZ 方案


原始的DLCZ 方案虽然具有创造性，但是也有一些弱点。比如，单光子干涉，对相位的稳定性提出了很高的要求。因为在光子传播过程中，真空态（没有光子）的部分不会积累相位，而有光子的部分则会积累路径的相位。一旦路径相位有一点抖动，最终产生的纠缠形式就会变得不可预知。另外，产生纠缠的过程，会引入一些高阶项，产生不必要的噪音。

于是，一些改良的办法诞生了。其中，中国科大的科学家们发明了一种双光子干涉的方案，就是一种很好的办法。这种方案里，原来的链路多出了一个双胞胎，它们二者组成两套平行的量子存储装置，这两套装置产生的光子可能有不同的偏振态。新方案将DLCZ方案中”Fock”态的纠缠转化成为偏振态的纠缠，因为光子的两个偏振成分积累的路径相位一般来说总是相同的，自然就抵消掉，不会改变影响纠缠的形式。两组纠缠产生之后，再进行贝尔基测量，连接两边节点的量子比特。而段与段之间的纠缠交换，采用与这个贝尔基测量对应的设置，就可以有效消除掉高阶项，尽可能留下最大纠缠态。

最近，这种双光子干涉的方案首次在长距离下得到了演示。两套链路的节点都被安放在合肥的科大校园，两个节点产生的光子通过光纤传输到位于11公里之外的合肥软件园，在那里进行贝尔基测量。这样，也就相当于在22公里的尺度上实现了纠缠存储。此外，他们还在50公里的尺度上实现了单光子干涉方案。

本文的装置图

来源|arXiv:1903.11284.


实验证明，单光子干涉和双光子干涉这两种长距离光子传输纠缠的方法，对于量子存储来说，都是可行的，它们各有优劣势。比如，单光子干涉方案产生纠缠的概率要高得多，因为它只需要探测到一个光子通过整个链路的一半；而相比之下，双光子干涉方案则需要探测到通过整个链路的两个光子。但是，从另一方面来说，对于离得比较远的节点的扩展来说，双光子干涉方案要求简单，只要求光子不可分辨就可以，对相位没有那么高的要求。

在实验中，一个叫做量子链路效率的指标，作为衡量存储寿命的重要参数，当然成为了考察实验方案好坏的关键。在我们目前的工作里,由于原子运动导致退相干，存储寿命大约在70µs,远小于纠缠产生的时间。不过，团队在这方面早就做过积累，2016年的时候，团队就曾利用三维光晶格限制原子运动、基于偏置磁场的差分光频移补偿、基于大失谐参考光的腔长锁定等多项关键实验技术，使得原子运动导致的退相干得到大幅抑制，并最终成功地实现了存储寿命达到0.22秒、读出效率达到76%的高性能量子存储器。所以未来很可能会考虑将这些技术结合进来，将存储寿命提升至满足远程量子中继实际需求的水平。

想要进一步提高量子链路效率，必须要提高纠缠产生率。可喜的是，之前的很多工作都展示了令人乐观的前景，比如，通过多路复用技术可以来制备多路复用的原子-光子纠缠、通过将波长转换到电信C波段来优化耦合效率等，一系列的技术都将用于进一步提高纠缠率。

这次的实验测试的长距离纠缠只是未来量子网络的功能单元。未来，科学家们还会将它扩展到包含更多节点、更多存储器的长距离量子网络，到时候，量子中继在远程传播中的优势会出色的展现于世人面前。

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编辑：小烩饼