量子信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與核心組件

姚飛 賴俊森 李芳 趙文玉

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所,北京 100191)

0 引言

量子信息網(wǎng)絡(luò)是利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)信息傳輸和處理的一種新型網(wǎng)絡(luò),具有高效、安全、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。量子信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)依賴于多種使能技術(shù),如量子糾纏、量子中繼、量子存儲(chǔ)、量子態(tài)轉(zhuǎn)換等,以及各種關(guān)鍵器件,如量子光源、單光子探測(cè)器、量子存儲(chǔ)器、量子轉(zhuǎn)換器等[1]。本文對(duì)量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及核心組件進(jìn)行了綜述,并根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析探討了量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及組件未來(lái)發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。

1 量子信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

量子信息網(wǎng)絡(luò)是一種基于量子力學(xué)原理的信息傳輸和組網(wǎng)系統(tǒng),通過(guò)利用量子糾纏特性,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸。量子信息網(wǎng)絡(luò)不同于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立存在,量子網(wǎng)絡(luò)需要結(jié)合并依賴經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)組件的互聯(lián)及經(jīng)典控制,故量子信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的混合體。量子信息網(wǎng)絡(luò)基于量子隱形傳態(tài)協(xié)議進(jìn)行構(gòu)建,信息的發(fā)送方和接收方通過(guò)糾纏光子對(duì)的制備分發(fā)建立量子通信信道,通過(guò)貝爾態(tài)(Bell States)測(cè)量和經(jīng)典通信信道,發(fā)送方可以測(cè)量包含未知量子態(tài)信息的光子并將測(cè)量結(jié)果告知接收方,接收方根據(jù)結(jié)果對(duì)糾纏光子進(jìn)行相應(yīng)的操作,從而獲得發(fā)送方光子的量子態(tài)信息,完成量子通信過(guò)程。量子信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可通過(guò)糾纏光子進(jìn)行量子態(tài)信息傳輸,量子存儲(chǔ)、量子中繼、量子態(tài)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵使能技術(shù)。

1.1 量子存儲(chǔ)

量子存儲(chǔ)一般可通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用、物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)自行干涉或是相位關(guān)系的演化和恢復(fù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。能夠?qū)崿F(xiàn)量子存儲(chǔ)的研究對(duì)象一般需要有較為理想的分立能級(jí)結(jié)構(gòu),目前在國(guó)際上得到廣泛研究的量子存儲(chǔ)系統(tǒng)有單原子、原子系綜、稀土離子、離子阱、固態(tài)缺陷體系等[2]。同時(shí),亦有多種量子存儲(chǔ)協(xié)議方案受到關(guān)注,包括電磁誘導(dǎo)透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)、原子頻率梳、光子回波、 Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)存儲(chǔ)方案、拉曼存儲(chǔ)等。其中,基于三能級(jí)原子的EIT是較為常見(jiàn)的量子存儲(chǔ)協(xié)議,其原理如下。

EIT是一種利用驅(qū)動(dòng)場(chǎng)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的方案[3]。EIT利用具有三能級(jí)的原子系綜,通過(guò)調(diào)節(jié)控制光場(chǎng)和弱信號(hào)場(chǎng)來(lái)傳遞量子信息。圖1是型三能級(jí)原子能級(jí)示意圖,分別為三能級(jí)原子的基態(tài)、激發(fā)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài),分別是弱信號(hào)場(chǎng)(也稱(chēng)探測(cè)光場(chǎng))以及控制光場(chǎng)的頻率大小。弱信號(hào)場(chǎng)攜帶想要存儲(chǔ)的量子信息,控制光場(chǎng)通過(guò)激發(fā)態(tài)與基態(tài)耦合來(lái)控制原子系統(tǒng)。當(dāng)控制光場(chǎng)頻率與亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)差發(fā)生共振時(shí),信號(hào)場(chǎng)與其中兩個(gè)共振能級(jí)發(fā)生相互作用,所攜帶的量子信息被轉(zhuǎn)化到原子的一個(gè)特定的疊加態(tài)中。由于這個(gè)疊加態(tài)幾乎與光場(chǎng)解耦,因此被稱(chēng)作暗態(tài),它是保證量子信息長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的關(guān)鍵。暗態(tài)是原子系綜與信號(hào)光場(chǎng)的糾纏態(tài),且暗態(tài)中不含原子的激發(fā)態(tài),故不存在自發(fā)輻射躍遷現(xiàn)象。暗態(tài)提供了一種很好的將光場(chǎng)的量子態(tài)轉(zhuǎn)移至原子系綜的方法,通過(guò)絕熱改變的比值,可以將光場(chǎng)攜帶的量子信息完全轉(zhuǎn)移至原子系綜態(tài)的信息中。

圖1 型三能級(jí)原子能級(jí)示意圖

在具體操作時(shí),可在打開(kāi)控制光場(chǎng)的情況下,將信號(hào)光脈沖饋送到EIT腔中,然后關(guān)閉控制光場(chǎng),讓空間壓縮的光脈沖在EIT腔內(nèi)傳播,從而將脈沖攜帶的量子信息存儲(chǔ)為原子基態(tài)的集體激發(fā),實(shí)現(xiàn)光量子存儲(chǔ)。當(dāng)需要提取量子信息時(shí),再次打開(kāi)控制光場(chǎng),信號(hào)脈沖離開(kāi)EIT腔體。

量子存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一,基于超導(dǎo)、量子點(diǎn)和核自旋等存儲(chǔ)器已取得了重要進(jìn)展。然而,存儲(chǔ)時(shí)間、讀寫(xiě)操作和可擴(kuò)展性仍面臨挑戰(zhàn),未來(lái)將繼續(xù)改進(jìn)存儲(chǔ)器性能、探索新架構(gòu),以期獲得功能更強(qiáng)大的量子存儲(chǔ)器件。

1.2 量子中繼

在量子網(wǎng)絡(luò)中,光子在傳輸過(guò)程中的損耗會(huì)導(dǎo)致通信距離的指數(shù)級(jí)下降。由于不可克隆原理,光量子比特中攜帶的信息不能被復(fù)制或放大,故經(jīng)典中繼器不適用于量子通信。1998年,Jurgen Briegel提出了量子中繼器(Quantum Repeater)模型[4],以克服長(zhǎng)距離量子比特傳輸?shù)恼系K,即通過(guò)將量子中繼節(jié)點(diǎn)部署在端節(jié)點(diǎn)的中間,從而將量子網(wǎng)絡(luò)分段,進(jìn)而使得直接傳輸?shù)木嚯x縮短到可接受的范圍內(nèi)。

用于產(chǎn)生長(zhǎng)距離糾纏的量子中繼器方案首先將網(wǎng)絡(luò)分成若干段[5-6],并在這些節(jié)點(diǎn)上放置中繼器,然后在相鄰節(jié)點(diǎn)之間生成多個(gè)糾纏對(duì),并對(duì)這些糾纏對(duì)進(jìn)行糾纏純化,之后執(zhí)行糾纏交換,以創(chuàng)建一個(gè)比原來(lái)鏈接兩倍長(zhǎng)的鏈接。然后,對(duì)這些新鏈接進(jìn)行糾纏純化,并再次執(zhí)行糾纏交換,以創(chuàng)建一個(gè)四倍長(zhǎng)的鏈接。一直持續(xù)這個(gè)過(guò)程,直到在末端的中繼節(jié)點(diǎn)之間生成糾纏。

量子中繼協(xié)議需要經(jīng)過(guò)三個(gè)主要操作步驟來(lái)創(chuàng)建可用于量子通信任務(wù)的長(zhǎng)程Bell態(tài),三個(gè)操作過(guò)程具體如下。

(1)糾纏分發(fā)(Entanglement Distribution)：在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建糾纏的過(guò)程。

(2)糾纏純化(Entanglement Purification)：又稱(chēng)糾纏蒸餾,從多個(gè)弱糾纏態(tài)中產(chǎn)生一些強(qiáng)糾纏態(tài)的過(guò)程。

(3)糾纏交換(Entanglement Swapping)：在中繼節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行糾纏交換,使端節(jié)點(diǎn)的量子位瞬間糾纏。

由上述量子中繼的操作過(guò)程可知,量子中繼協(xié)議的一個(gè)基本要求是必須能夠存儲(chǔ)所創(chuàng)建的基本糾纏,直到在相鄰鏈接中也建立糾纏,以便能夠執(zhí)行所需的糾纏交換操作。由此產(chǎn)生的更高級(jí)別的糾纏也需要存儲(chǔ),直到建立相鄰的更高級(jí)別鏈接,依此類(lèi)推。因此,每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都需要量子存儲(chǔ)器。目前,出現(xiàn)了無(wú)量子存儲(chǔ)的中繼協(xié)議,即采用光學(xué)模式上的量子糾錯(cuò)(Quantum Error Correction,QEC)取代傳統(tǒng)的原子或固態(tài)量子存儲(chǔ)器,這就是全光子量子中繼[7],是目前量子中繼的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。

量子中繼是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信和量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),其發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)包括多節(jié)點(diǎn)間糾纏建立、糾纏純化、交換效率的提升等,未來(lái)將重點(diǎn)提高中繼傳輸距離和糾纏交換保真度等,以構(gòu)建更復(fù)雜的量子中繼網(wǎng)絡(luò)。

1.3 量子態(tài)轉(zhuǎn)換

量子態(tài)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)量子信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵步驟,它實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型量子資源之間的互操作性和互聯(lián)性,促進(jìn)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸和共享。

量子態(tài)轉(zhuǎn)換的技術(shù)原理多樣,取決于所使用的量子系統(tǒng)和應(yīng)用需求。常見(jiàn)的技術(shù)包括：利用光子-原子相互作用,通過(guò)操縱光的頻率、相位等參數(shù)實(shí)現(xiàn)光子-原子量子態(tài)轉(zhuǎn)換;通過(guò)調(diào)控自旋系統(tǒng)(如電子自旋、核自旋等)與光子之間的相互作用,實(shí)現(xiàn)量子態(tài)轉(zhuǎn)換;利用量子門(mén)操作在量子比特之間實(shí)現(xiàn)特定的相互作用進(jìn)行量子態(tài)轉(zhuǎn)換等。

量子態(tài)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),對(duì)于構(gòu)建可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂兄匾饬x,是未來(lái)量子技術(shù)實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前,量子態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)取得了部分階段性進(jìn)展,成功實(shí)現(xiàn)了光子-原子、超導(dǎo)量子比特或固態(tài)材料之間的相互轉(zhuǎn)換。但仍面臨諸多挑戰(zhàn),包括提高量子態(tài)轉(zhuǎn)換效率、保真度、可靠性等方面的問(wèn)題。未來(lái),應(yīng)注重優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和材料,提高資源利用率和噪聲抑制能力等。

2 量子信息網(wǎng)絡(luò)核心組件

量子信息網(wǎng)絡(luò)由量子信道將多個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)信息互通[8-9]。目前,量子信道主要有兩種：一種是用于傳輸微波或光波的自由空間通道;另一種是基于光纖通信波段的光纖通道。量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)不同,大致分為以下三類(lèi)[8](見(jiàn)表1)。

表1 量子信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分類(lèi)

2.1 量子光源

量子光源是量子技術(shù)中的關(guān)鍵組件,為量子通信、量子計(jì)算和量子傳感等的技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)資源。常見(jiàn)的量子光源有單光子源[10]和糾纏光子源[11]。單光子源是一種理想的信息載體,它可以實(shí)現(xiàn)高效率和高安全性的量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)等,其主要性能指標(biāo)包括單光子純度、亮度、單色性和穩(wěn)定性等[10]。目前,常用的單光子源制備方法有激光衰減、原子輻射躍遷、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等。2000年,基于量子點(diǎn)系統(tǒng)材料的單光子源被首次用于試驗(yàn)中;2016年,潘建偉團(tuán)隊(duì)制備的量子點(diǎn)光子源的光子出射效率達(dá)66%,單光子純度達(dá)99.1%,光子不可分辨性達(dá)98.5%[10];2022年6月,量子點(diǎn)光子源取得新的突破,瑞士巴塞爾大學(xué)與德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)合作,在砷化鎵(GaAs)平臺(tái)上用不同的量子點(diǎn)產(chǎn)生了全同的光子。

糾纏光源的制備方法主要有三種,分別是基于非線性晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(Spontaneous Parametric Down-Conversion,SPDC)、基于硅基材料等的自發(fā)四波混頻(Four-Wave Mixing,FWM)、基于量子點(diǎn)(Quantum Dot)等半導(dǎo)體材料進(jìn)行糾纏源制備源[11]。SPDC光源在亮度及可靠性等方面的優(yōu)勢(shì),使其成為目前制備多光子糾纏光源的常用辦法。SPDC效應(yīng)在多光子糾纏源中的應(yīng)用是通過(guò)采用兩個(gè)偏硼酸鋇(Barium Metaborate,BBO)晶體和一塊半波片的復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多光子糾纏。1995年,BBO晶體首次被用于糾纏光源試驗(yàn),產(chǎn)生了高對(duì)比度的光子對(duì);此后,多個(gè)光子的糾纏也逐漸在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。2018年6月,潘建偉團(tuán)隊(duì)利用6個(gè)光子的3個(gè)不同自由度成功實(shí)現(xiàn)18量子比特糾纏[11-12]。2022年8月,馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所利用銣原子成功實(shí)現(xiàn)14個(gè)光子的有效糾纏[13],打破此前12個(gè)光子糾纏的世界紀(jì)錄。

目前,基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)和非線性晶體等各種類(lèi)型的量子光源已在實(shí)驗(yàn)室中取得了階段性進(jìn)展,成功產(chǎn)生了高質(zhì)量的單光子和糾纏光子對(duì)。量子光源在高速、高效率的單光子發(fā)射方面仍有不足,限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的可擴(kuò)展性等性能。然而,量子光源在提高單光子發(fā)射率、提升光子質(zhì)量和純度,以及實(shí)現(xiàn)集成和穩(wěn)定性方面仍存在挑戰(zhàn)。未來(lái),將聚焦于新材料、新器件的研發(fā),提高光源調(diào)控技術(shù)水平,以滿足量子技術(shù)的應(yīng)用需求。

2.2 單光子探測(cè)器

單光子探測(cè)器(Single Photon Detector,SPD)可對(duì)單光子響應(yīng),將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),完成對(duì)量子態(tài)的探測(cè)[14],目前較為常用的單光子探測(cè)器主要有單光子雪崩光電二極管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)及超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)。

SPAD是在蓋革模式下的硅基雪崩探測(cè)器,主要用于可見(jiàn)光的探測(cè),此探測(cè)元件因探測(cè)效率低、暗計(jì)數(shù)率高、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)而逐漸成為一些光量子試驗(yàn)的掣肘因素。SNSPD因其對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光波段的光子較為敏感而被廣泛應(yīng)用于光學(xué)平臺(tái)的探測(cè)。SNSPD工作原理為：將光子的能量轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,從而達(dá)到探測(cè)光子信號(hào)的目的。2001年,基于氮化鈮薄膜SNSPD首次被俄羅斯Goltsman團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證。之后,科研工作者們均對(duì)SNSPD展開(kāi)了積極研究。2006年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)將SNSPD應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)。2020年,中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、美國(guó)NIST、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)三個(gè)團(tuán)隊(duì)先后報(bào)道了系統(tǒng)探測(cè)效率超過(guò)98%的SNSPD。2022年8月,由賦同量子科技有限公司尤立星研究員牽頭制定的全球首個(gè)超導(dǎo)單光子探測(cè)器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)國(guó)際電工委員會(huì)批準(zhǔn)正式發(fā)布,這是我國(guó)在超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域牽頭制定的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

SNSPD作為新興單光子探測(cè)器,具有死時(shí)間短、暗計(jì)數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。但也存在不足：首先,單光子探測(cè)器的使用必須搭載低溫冷卻裝置,給器件平臺(tái)的集成化帶來(lái)了挑戰(zhàn);其次,SNSPD對(duì)可見(jiàn)光及紅外波段外的光子響應(yīng)能力較差,尚需進(jìn)一步擴(kuò)展光子響應(yīng)波段。近年來(lái),關(guān)于改善SNSPD性能的研究成果不斷涌現(xiàn)。2023年4月,吳培亨[15]團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)際上首個(gè)高時(shí)間精度超導(dǎo)納米線X射線單光子探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)時(shí)間精度為20.1 ps的X射線單光子探測(cè)。

2.3 量子存儲(chǔ)器

量子存儲(chǔ)器(Quantum Memory)作為一種用于存儲(chǔ)和讀取量子態(tài)的器件,它可以將光的量子態(tài)存儲(chǔ)到物質(zhì)當(dāng)中,然后根據(jù)應(yīng)用需求以光的形式將量子態(tài)讀取出來(lái)[16-17]。量子存儲(chǔ)器被認(rèn)為是一種全方位的量子器件,可用于量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。由于來(lái)自不同糾纏源的光子不總是同時(shí)到達(dá)中繼站,因此可以使用量子存儲(chǔ)器作為同步工具,通過(guò)存儲(chǔ)先到達(dá)的量子比特并等待后到達(dá)的量子比特,實(shí)現(xiàn)有效的糾纏交換。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的不同可將量子存儲(chǔ)器分為固態(tài)量子存儲(chǔ)器、光量子存儲(chǔ)器、原子氣體量子存儲(chǔ)器三大類(lèi)(見(jiàn)表2)[16]。

表2 量子存儲(chǔ)器分類(lèi)及實(shí)現(xiàn)方案

衡量量子存儲(chǔ)器性能的主要指標(biāo)有存儲(chǔ)保真度、存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)效率等。近年來(lái),研究人員一直致力于提高這些性能指標(biāo),以實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的量子存儲(chǔ)技術(shù)。2021年7月,郭光燦[18]團(tuán)隊(duì)提出一種基于四能級(jí)原子系統(tǒng)的無(wú)噪聲光子回波協(xié)議,并試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲光子回波固態(tài)量子存儲(chǔ),存儲(chǔ)保真度為0.952 ± 0.018。2022年2月,美國(guó)加州理工學(xué)院[19]基于原子核自旋實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)。2022年3月,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)[20]利用稀土摻雜晶體實(shí)現(xiàn)20 ms量子存儲(chǔ)。2023年3月,牛津大學(xué)[21]在離子阱量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ),離子-光子糾纏保真度可在10 s后仍保持0.81。

2.4 量子中繼器

量子中繼器(Quantum Repeater)是用于克服光纖量子通信中損耗和操作錯(cuò)誤的關(guān)鍵器件,根據(jù)抑制損耗和操作錯(cuò)誤方式的不同可將量子中繼器分為三代[22]。

第一代量子中繼器的每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都能夠接收、處理和傳輸經(jīng)典和量子信息,相互之間保持較短距離,以增加節(jié)點(diǎn)間建立糾纏的概率;這些中繼節(jié)點(diǎn)從Alice到Bob相互連接,從而使遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)糾纏在一起。由于第一代量子中繼器的糾纏純化、交換步驟需要雙向經(jīng)典通信來(lái)向兩個(gè)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)操作成功,這會(huì)在通信距離增加時(shí)造成性能瓶頸,故研發(fā)了第二代只需要單向通信且不需要確認(rèn)成功率的量子中繼方案。

第二代量子中繼器采用QEC來(lái)進(jìn)行糾纏純化[23-24],使用此方案不需要等待糾纏純化的確認(rèn)信號(hào),因此可以立即再次使用量子比特進(jìn)行糾纏鏈接。然而,糾錯(cuò)方案本質(zhì)上是確定性的,這要求最初在相鄰節(jié)點(diǎn)之間生成的糾纏態(tài)具有高保真度。第一代方案的保真度超過(guò)50%就可以滿足需求,但具備糾錯(cuò)協(xié)議的第二代方案需要超過(guò)90%的保真度。

第三代量子中繼器依賴于確定性的錯(cuò)誤抑制方法(如量子糾錯(cuò)碼和單向哈希),以糾正光子數(shù)丟失錯(cuò)誤和操作錯(cuò)誤[25]。量子信息可以直接編碼在一個(gè)物理量子比特塊中,并通過(guò)有損通道發(fā)送。如果丟失和操作錯(cuò)誤足夠小,接收到的物理量子比特可以用來(lái)恢復(fù)整個(gè)編碼塊,然后重新傳輸?shù)较乱粋€(gè)中繼站。第三代方案只需要單向信號(hào)傳輸,因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的通信速率,就像經(jīng)典中繼器一樣,只受限于本地操作延遲。

量子中繼器處于不斷發(fā)展探索的試驗(yàn)階段,目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了一些小規(guī)模量子中繼器系統(tǒng)。2021年,郭光燦[26]團(tuán)隊(duì)首次演示了多模式量子中繼,并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏。2022年,潘建偉[27]團(tuán)隊(duì)將廣義Shor碼應(yīng)用于全光量子中繼并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。2023年5月,奧地利因斯布魯克大學(xué)[28]利用兩個(gè)鈣離子作為量子存儲(chǔ)器進(jìn)行量子中繼,最終實(shí)現(xiàn)超50 km電信波長(zhǎng)傳輸。未來(lái),量子中繼器的發(fā)展將聚焦于開(kāi)發(fā)高效的量子糾錯(cuò)碼和錯(cuò)誤抑制方案,克服光子損耗和傳輸噪聲,擴(kuò)展中繼距離,以實(shí)現(xiàn)高效的量子中繼器。

2.5 量子轉(zhuǎn)換器

量子轉(zhuǎn)換器(Quantum Transducer)是指在量子信息處理過(guò)程中用于實(shí)現(xiàn)量子信息轉(zhuǎn)換的接口或裝置。量子轉(zhuǎn)換器通過(guò)在不同物理系統(tǒng)中進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換,以實(shí)現(xiàn)不同量子資源之間的互聯(lián)。量子轉(zhuǎn)換接口根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的不同可分為多種類(lèi)型,如量子編碼轉(zhuǎn)化器、量子頻率轉(zhuǎn)換器等。

量子編碼轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)不同編碼平臺(tái)之間的有效轉(zhuǎn)換,成為連接不同量子平臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵,為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)之間的互聯(lián)互通提供了解決方案。2022年8月,段路明[29]課題組利用離子實(shí)現(xiàn)了雙重量子比特之間的相干轉(zhuǎn)換,單向轉(zhuǎn)換保真度可達(dá)99.5%;此項(xiàng)工作利用同種離子實(shí)現(xiàn)量子編碼轉(zhuǎn)換,為大規(guī)模量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供可行性參考。2022年12月,法國(guó)Kastler Brossel實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞國(guó)立大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[30]成功實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)量子比特之間的編碼轉(zhuǎn)換,即完成離散變量和連續(xù)變量之間的量子信息轉(zhuǎn)換,為實(shí)現(xiàn)具有增強(qiáng)多功能性和可擴(kuò)展性的互聯(lián)量子設(shè)備架構(gòu)提供參考。

量子頻率轉(zhuǎn)換器是一種用于將光子的頻率從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率的裝置或技術(shù)[31-32]。由于現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)可以在1 550 nm波段實(shí)現(xiàn)低噪音的遠(yuǎn)距離信息傳輸,因此在構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸時(shí),需要先使用量子頻率轉(zhuǎn)換器將微波光子轉(zhuǎn)換為能夠在光纖中進(jìn)行低損傳輸?shù)? 550 nm光子,然后再進(jìn)行傳輸。研究人員一直致力于開(kāi)發(fā)各種技術(shù)、器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高效可靠的量子頻率轉(zhuǎn)換。2023年3月22日,美國(guó)芝加哥大學(xué)和斯坦福大學(xué)聯(lián)合[33]發(fā)表光子轉(zhuǎn)換器研究成果,在低溫(5 K)環(huán)境下,通過(guò)將銣原子(85Rb)同時(shí)耦合到三維超導(dǎo)諧振器和一個(gè)減振光學(xué)腔中,來(lái)實(shí)現(xiàn)微波光子到光學(xué)光子的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換效率峰值可達(dá)58%,帶寬為360 kHz。

2.6 量子衛(wèi)星

構(gòu)建覆蓋全球的大規(guī)模量子信息網(wǎng)絡(luò)的主要限制因素是無(wú)法建立跨越不同地理位置的量子中繼器,而利用量子衛(wèi)星作為空間量子中繼器,進(jìn)行地面、空間組合可實(shí)現(xiàn)跨地域量子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。然而,需要指出的是量子衛(wèi)星并不是所有類(lèi)型量子信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的必備要素,例如城域量子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并不依賴量子衛(wèi)星。對(duì)量子信息網(wǎng)絡(luò)而言,現(xiàn)階段量子衛(wèi)星的布局主要為將來(lái)全球性的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建做準(zhǔn)備。

我國(guó)在2016年8月率先發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”,其與我國(guó)多個(gè)地面站實(shí)現(xiàn)安全密鑰交換,密鑰傳輸速率達(dá)千赫茲,傳輸距離達(dá)1 200 km[34]。2022年7月27日,全球首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”成功發(fā)射 ,相比“墨子號(hào)”重量?jī)H為1/6,光源頻率提升約6倍,可實(shí)時(shí)完成密鑰處理和生成,未來(lái)有望開(kāi)展微納衛(wèi)星與便攜式地面站間的量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution,QKD)傳輸組網(wǎng)與示范應(yīng)用。

近年來(lái),量子衛(wèi)星已成為全球多國(guó)及地區(qū)布局規(guī)劃的關(guān)注點(diǎn),例如加拿大QEYSSat項(xiàng)目,美國(guó)Marconi 2.0天基量子鏈路計(jì)劃,歐洲CQuCoM和Nanobob微納量子衛(wèi)星計(jì)劃,英國(guó)Arqit商用QKD衛(wèi)星計(jì)劃等。

3 量子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及組件未來(lái)發(fā)展關(guān)注點(diǎn)

量子信息網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)前沿技術(shù),正處于初級(jí)發(fā)展階段,未來(lái)技術(shù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。首先,目前量子糾纏保持時(shí)間較短,量子比特錯(cuò)誤率較高,需進(jìn)一步提高量子比特?cái)?shù)目及穩(wěn)定性,以實(shí)現(xiàn)可靠的量子通信和計(jì)算;其次,在大規(guī)模量子信息網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的有效存儲(chǔ)和傳輸也具備一定的挑戰(zhàn)性,需要研發(fā)更加高效的量子存儲(chǔ)器和更可靠的量子態(tài)傳輸技術(shù),以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信;最后,量子信息網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性也是一個(gè)挑戰(zhàn),量子信息網(wǎng)絡(luò)涉及平臺(tái)多樣,技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案各有不同,不同量子設(shè)備和節(jié)點(diǎn)之間可能存在互操作性問(wèn)題。因此,建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,促進(jìn)不同量子設(shè)備和節(jié)點(diǎn)之間的互操作性,是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

為解決量子信息網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)困境,多項(xiàng)使能技術(shù)均在同步發(fā)展,其中一些技術(shù)可能會(huì)成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展關(guān)注的重點(diǎn)。多量子比特量子處理器的發(fā)展將為量子信息網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。首先,多量子比特量子處理器具備的強(qiáng)大計(jì)算能力可用來(lái)執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算;同時(shí),量子處理器作為量子信息網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn),其量子比特?cái)?shù)的提升可以有效增強(qiáng)量子信息網(wǎng)絡(luò)的信息處理能力,使得量子信息網(wǎng)絡(luò)成為強(qiáng)大高效的信息處理工具。未來(lái)的量子信息網(wǎng)絡(luò)需要先進(jìn)的QEC編碼技術(shù)做支撐。如前所述,QEC在量子中繼中具有舉足輕重的地位,QEC通過(guò)降低噪聲、退相干及其他環(huán)境因素對(duì)量子信息的不良影響,使量子信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)高效的量子糾纏純化及交換。量子態(tài)轉(zhuǎn)換器作為量子信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)組件,其發(fā)展成熟度直接決定了量子信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。量子態(tài)轉(zhuǎn)換器種類(lèi)多樣,其工作原理與量子處理器的物理平臺(tái)特性密切相關(guān)。基于目前量子處理器平臺(tái)多路線并行發(fā)展的現(xiàn)狀,量子態(tài)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展迭代亦應(yīng)緊跟平臺(tái)需求,為未來(lái)量子信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)量子中繼的核心組件,基于NV色心或稀土摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器通過(guò)利用固態(tài)系統(tǒng)中的電子自旋或其他缺陷,可以在低溫下保持長(zhǎng)時(shí)間的相干性,成為構(gòu)建可靠量子信息網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

量子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不是一蹴而就的,而是分階段推進(jìn)。短期內(nèi),可將量子中繼網(wǎng)絡(luò)作為發(fā)展的階段性目標(biāo),重點(diǎn)推進(jìn)多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的量子糾纏制備分發(fā)以及量子節(jié)點(diǎn)間的糾纏交換等技術(shù)發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)具備實(shí)用化功能的量子中繼網(wǎng)絡(luò),為未來(lái)量子信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建做好階段性準(zhǔn)備?？傊?構(gòu)建量子信息網(wǎng)絡(luò)涉及多種量子技術(shù)和多類(lèi)量子器件,面臨的技術(shù)性挑戰(zhàn)亦是錯(cuò)綜復(fù)雜。因此,需要進(jìn)行多領(lǐng)域間協(xié)同合作,為早日實(shí)現(xiàn)功能完備的量子信息網(wǎng)絡(luò)而共同努力。

4 結(jié)束語(yǔ)

量子信息網(wǎng)絡(luò)作為量子通信、量子計(jì)算、量子傳感三大技術(shù)領(lǐng)域相融合的發(fā)展方向,是未來(lái)量子信息技術(shù)發(fā)展關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前,量子信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究及應(yīng)用發(fā)展仍處于起步階段,在使能技術(shù)、關(guān)鍵器件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、轉(zhuǎn)換接口等方面尚需進(jìn)一步研究探索。由于量子信息技術(shù)的復(fù)雜性,構(gòu)建可靠、高效的量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)施需要涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí),故發(fā)展量子信息網(wǎng)絡(luò)需要多學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同合作和努力創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。未來(lái),隨著量子技術(shù)的進(jìn)一步突破和成熟,量子信息網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離、更安全可靠的量子態(tài)傳輸,為保密通信提供新的解決方案。同時(shí),量子信息網(wǎng)絡(luò)還將在量子計(jì)算、量子傳感、量子模擬等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,為科學(xué)探索和技術(shù)應(yīng)用提供更強(qiáng)大的工具。