6月15日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上在線發(fā)表了題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究論文 [Nature]；6月19日，潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在光晶格中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高保真度原子糾纏對的同步制備，在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該研究成果。

“墨子號”實(shí)現(xiàn)基于糾纏的

無中繼千公里量子保密通信

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、印娟等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合牛津大學(xué)Artur Ekert、中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇團(tuán)隊(duì)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等相關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上首次實(shí)現(xiàn)千公里級基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。

該實(shí)驗(yàn)成果不僅將以往地面無中繼量子保密通信的空間距離提高了一個(gè)數(shù)量級，并且通過物理原理確保了即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下依然能實(shí)現(xiàn)安全的量子通信，取得了量子通信現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要突破。

6月15日，研究團(tuán)隊(duì)在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上在線發(fā)表了題為“基于糾纏的千公里級安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究論文 [Nature]?！蹲匀弧冯s志為此專門發(fā)布了題為“基于衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離安全通信（Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications）”的新聞稿（Press release）加以推介。

量子通信提供了一種原理上無條件安全的通信方式，但要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，需要解決兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問題和遠(yuǎn)距離傳輸問題。通過國際學(xué)術(shù)界30余年的努力，目前現(xiàn)場點(diǎn)對點(diǎn)光纖量子密鑰分發(fā)的安全距離達(dá)到了百公里量級。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，使用可信中繼可以有效拓展量子通信的距離，比如世界首條量子保密通信京滬干線通過32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，貫通了全長2000公里的城際光纖量子網(wǎng)絡(luò)；而利用量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”作為中繼，在自由空間信道進(jìn)一步拓展到了7600公里的洲際距離。然而，盡管可信中繼將傳統(tǒng)通信方式中整條線路的安全風(fēng)險(xiǎn)限制在有限個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)范圍，中繼節(jié)點(diǎn)的安全仍然需要得到人為保障。例如，在星地量子密鑰分發(fā)過程中，量子衛(wèi)星作為可信中繼，掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的最佳解決方案是結(jié)合量子中繼和基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的原理是，無論處于糾纏狀態(tài)的粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要測量了其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)確定，這一特性可以用來在遙遠(yuǎn)兩地的用戶間產(chǎn)生密鑰。由于對粒子的測量局域地發(fā)生在用戶端，糾纏源不掌握密鑰的任何信息，即使糾纏源（例如衛(wèi)星）由不可信的他方提供，只要用戶間檢測到量子糾纏，就可以產(chǎn)生安全的密鑰。因此，量子通信源端不完美帶來的安全問題可以得到完全解決，進(jìn)一步提高了量子通信的現(xiàn)實(shí)安全性。原理上，利用量子中繼可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)，但實(shí)用化的量子中繼還需要較長時(shí)間。

利用衛(wèi)星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠(yuǎn)兩地直接分發(fā)糾纏，為現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。特別是“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在2017年首次實(shí)現(xiàn)千公里量級的自由空間量子糾纏分發(fā)后，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)就成為國際學(xué)術(shù)界熱切期盼的目標(biāo)。

基于“墨子號”量子衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，研究團(tuán)隊(duì)通過對地面望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)和后光路進(jìn)行升級，實(shí)現(xiàn)了單邊雙倍、雙邊四倍接收效率的提升。

“墨子號”量子衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個(gè)地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，進(jìn)而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產(chǎn)生密鑰。在實(shí)驗(yàn)中，通過對地面接收光路和單光子探測器等方面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和防護(hù)，保證了公平采樣和對所有已知側(cè)信道的免疫，所生成的密鑰不依賴可信中繼、并確保了現(xiàn)實(shí)安全性。結(jié)合最新發(fā)展的量子糾纏源技術(shù)，未來衛(wèi)星上可每秒產(chǎn)生10億對糾纏光子，最終密鑰成碼率將提高到每秒幾十比特或單次過境幾萬比特。

《自然》雜志審稿人稱贊該工作“展示了一項(xiàng)開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（present the results of a groundbreaking experiment）；” “這是朝向構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步（This is a significant step toward establishing a global network for QKD, and more generally, a quantum Internet for quantum communication）；”“我的確認(rèn)為不依賴可信中繼的長距離糾纏量子密鑰分發(fā)協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)里程碑（I do agree that the actual implementation of a long-distance entanglement-based QKD protocol not relying on trusted nodes is a milestone）?！痹撗芯砍晒乾F(xiàn)實(shí)條件下實(shí)現(xiàn)安全、遠(yuǎn)距離量子保密通信的重要突破，如同沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所指出的，“這將最終實(shí)現(xiàn)所有密碼學(xué)者千年來的夢想（This would achieve the holy Grail that all cryptographers have been dreaming of for thousands of years）?！?/p>

基于該研究成果發(fā)展起來的高效星地鏈路收集技術(shù)，可以將量子衛(wèi)星載荷重量由現(xiàn)有的幾百公斤降低到幾十公斤以下，同時(shí)將地面接收系統(tǒng)的重量由現(xiàn)有的10余噸大幅降低到100公斤左右，實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的小型化、可搬運(yùn)，為將來衛(wèi)星量子通信的規(guī)?；?、商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一。迄今，“墨子號”研究團(tuán)隊(duì)已在《自然》及《科學(xué)》雜志發(fā)表了5篇研究論文，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗(yàn)前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究工作得到了中科院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2401-y

中國科大在光晶格中

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高保真度原子糾纏對的同步制備

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、苑震生等在超冷原子量子計(jì)算和模擬研究中取得重要進(jìn)展。他們在理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了1250對原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)?；孔佑?jì)算與模擬奠定了基礎(chǔ)。北京時(shí)間6月19日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該研究成果。

基于量子力學(xué)的基本原理，量子計(jì)算和模擬被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代推動(dòng)高速信息處理的顛覆性技術(shù)，有望解決諸如高溫超導(dǎo)機(jī)制模擬、密碼破解等重大科學(xué)和技術(shù)問題。量、子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算的能力將隨糾纏比特?cái)?shù)目的增長呈指數(shù)增長。因而，大規(guī)模糾纏態(tài)的制備、測量和相干操控是該研究領(lǐng)域的核心問題。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的通常途徑是，先同步制備大量糾纏粒子對，然后通過量子邏輯門操作將其連接形成多粒子糾纏。因此，高品質(zhì)糾纏粒子對的同步制備是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模糾纏態(tài)的首要條件。十幾年來，已有很多實(shí)驗(yàn)在光子、囚禁離子、中性原子等系統(tǒng)中演示了操控多個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理的可行性。但是，以往的工作中，受限于糾纏對的品質(zhì)和量子邏輯門的操控精度，目前人們所能制備的最大糾纏態(tài)距離實(shí)用化的量子計(jì)算和模擬所需的糾纏比特?cái)?shù)和保真度還有很大差距。

在實(shí)現(xiàn)量子比特的眾多物理體系中，光晶格超冷原子比特和超導(dǎo)比特具備良好的可升擴(kuò)展性和高精度的量子操控性，是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?；孔蛹m纏的系統(tǒng)。自2010年開始，中國科大研究團(tuán)隊(duì)與德國海德堡大學(xué)合作，對基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息處理展開聯(lián)合攻關(guān)。在前期的研究中，該團(tuán)隊(duì)使用Rb-87超冷原子制備了600多對保真度為79%的超冷原子糾纏態(tài)[Nature Physics 12, 783 (2016)]；并使用該體系調(diào)控特殊的環(huán)交換相互作用產(chǎn)生四體糾纏態(tài)，模擬了拓?fù)淞孔佑?jì)算中的任意子激發(fā)模型[Nature Physics 13, 1195 (2017)]。以上的實(shí)驗(yàn)中，由于晶格中原子的溫度偏高（約10 nK），使得晶格中原子填充缺陷大于10%，這對于糾纏原子對連接形成更大的多原子糾纏態(tài)和提升糾纏保真度有很大的影響。

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)首次提出了使用交錯(cuò)式晶格結(jié)構(gòu)將處在絕緣態(tài)的冷原子浸泡到超流態(tài)中的新制冷機(jī)制，通過絕緣態(tài)和超流態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，使系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)，再用精確的調(diào)控手段將超流態(tài)移除，從而獲得低熵的完美填充晶格。該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一制冷過程，制冷后使系統(tǒng)的熵降低了65倍，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的低熵，使得晶格中原子填充率大幅提高到99.9%以上。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩原子比特高速糾纏門，獲得了糾纏保真度為99.3%的1250對糾纏原子。

將處在絕緣態(tài)的樣品原子（藍(lán)綠色球）交錯(cuò)浸泡到處在超流態(tài)的環(huán)境原子（紅色球）中，這兩種狀態(tài)之間高效率的原子和熵的交換，導(dǎo)致有能隙的絕緣態(tài)不易被激發(fā)，系統(tǒng)中的熱量主要以超流態(tài)低能激發(fā)的形式存儲(chǔ)。

《科學(xué)》雜志的審稿人對該工作給與高度評價(jià)：“他們在原子比特中實(shí)現(xiàn)了我所知的最低的熵，并且是在如此大的（1萬個(gè)原子）系統(tǒng)中；進(jìn)一步，他們報(bào)導(dǎo)了我所知的中性原子中的最高保真度兩比特量子門（They show the lowest entropy/particle that I am aware of for an atomic register, no less one of this size (10^4); further, they report the highest fidelity two-qubit gate that I am aware of for neutral atoms 0.993(1)）；” “開發(fā)新的晶格量子氣體制冷技術(shù)，是該學(xué)界為了研究新物態(tài)和滿足量子信息處理需求的重要目標(biāo)。有鑒于此，我認(rèn)為他們實(shí)現(xiàn)如此大的熵減是一個(gè)突破……（Developing new cooling techniques for quantum gases in optical lattices is an important goal for the community to access novel states of matter and for quantum information applications. In that sense, I consider the impressive entropy reduction factor demonstrated here a breakthrough）?！?/p>

在該研究工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將通過連接多對糾纏原子的方法，制備幾十到上百個(gè)原子比特的糾纏態(tài)，用以開展單向量子計(jì)算和復(fù)雜強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)量子模擬研究。同時(shí)，該工作中的新制冷技術(shù)將有助于對超冷費(fèi)米子系統(tǒng)的深度冷卻，使得系統(tǒng)達(dá)到模擬高溫超導(dǎo)物理機(jī)制的苛刻溫區(qū)。該研究成果將極大推動(dòng)量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域的發(fā)展。

該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801