日本与加拿大量子通信研究取得重大突破

2015-03-16宋向东

通信世界 2015年28期

关键词：中继器光量子存储器

特约撰稿人|宋向东

日本与加拿大量子通信研究取得重大突破

特约撰稿人|宋向东

全光量子通信系统采取的是“时间反转”方式，它让生成“量子纠缠”与交换“量子纠缠”发生时间反转，事实上在“时间反转”方式中，量子中继器只在操作过程中存在。

量子通信，是将原子和光子等微小粒子进行巧妙处理，它采用“量子密码”和“量子隐形传输”等技术，是全新的通信手段。量子通信的高速、长距离化，不仅会促进通信市场创新和扩展，而且还能实现更高等级的网络安全。

传统的量子通信在发信机/接收机间，为了解决光纤的光传输损耗问题，需要设置“中继器”，即量子存储器。因此，世界各地的研究机构都在积极进行量子存储器的原理验证实验。

量子存储器指的是由材料系统来实现的存储器，它是指量子力学的“叠加态”，在一定时间内具有“保持”功能。

NTT和多伦多大学的研究团队于2015年4月15日宣布，在新的光量子通信系统研发方面，颠覆了在远距离量子通信中必需有“量子中继器”即“物质量子存储器”的理论，仅使用光的收/发装置就能实现“全光量子通信”，这是一个重大突破。

实际上，量子中继系统，通过中继器实现光再生，已经在欧美问世了。量子中继系统框图，如图1所示。

量子通信的载体是“量子纠缠”，在量子中继系统中，通过使用量子中继器，完成量子信号再生，主要运作是通过“生成“量子纠缠””和“交换“量子纠缠””进行。图1中的收/发信机及中继器，都是泛指的量子中继器，它的作用是通过与其连接的光纤，在发送和接收设备之间提供有效的“量子纠缠”。

所谓“量子纠缠”就是在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子(如光子)之间，存在某种纠缠关系，即使距离相对遥远，一个粒子的状态改变，也将会影响到另一个的状态。

与传统的量子中继系统不同，全光量子通信系统是传统量子中继系统的升级版，其优点更为明显。在全球范围内推广量子通信网络，将使通信网络全面升级换代，也将会使“量子互联网”得到推广。

图1 量子中继系统

图2 “量子纠缠”生成及光子进行长距离量子通信示意图

NTT和多伦多大学研究团队的方案

传统的量子中继系统如何演进成全光量子通信系统？这是NTT和多伦多大学研究团队需要解决的核心问题，该方案称为时间反转型量子通信系统，不需要“量子信息接口”和量子中继器，因为它的光学装置能够在常温下工作，并且也没有必要配置用于抑制噪声的冷却装置，所以传输距离更长、速率更快。

在历来方式中：各个中继器通过光子进行传输，包埋在最近中继器/发射器内的量子比特，生成“量子纠缠”；确认“量子纠缠”生成后，进行量子运算（“量子纠缠”交换），之后在接收机与发射机之间提供“量子纠缠”；该情况下，因不允许量子运算（“量子纠缠”交换）失败，所以需要量子存储器。

在时间反转方式中：各中继器自身所有的量子比特要事先实施量子运算；然后通过光子传输，在接收机与发射机之间提供“量子纠缠”；在这种情况下，由于允许量子运算失败，所以没有必要配置量子存储器。

NTT和多伦多大学研究团队的方案是如何生成“量子纠缠”及用光子进行长距离量子通信的？如图2所示。

在历来方式中，进行交换“量子纠缠”，由中间的量子存储器，选择相邻的中继器/发信机两边的“量子纠缠”共享的量子存储器，对它们实施量子运算(水平测试)，把经由量子存储器连接的中间状态b，移行到用“量子纠缠”捆绑成的最终状态c，即“量子纠缠”进行直连。

在时间反转方式中，生成的“量子纠缠”，通过既有的交换“量子纠缠”，各中继器共享的量子比特，彼此用“量子纠缠”连结成集群状态d，通过让“量子纠缠”直连，移行到最终状态c。

那么NTT和多伦多大学研究团队的方案是如何实现全光量子通信的？首先，各中继器产生“量子纠缠”用的光子和编码纠错的光子，做好准备状态。此状态为光子检测装置、主动前亏技术和线性光学装置，实现向单一光子集团的逐次运算提供条件。其次，各中继器/发射机将光子在左右传送，光子很快碰到，就会产生“量子纠缠”，其成功的概率很高。最后，在收/发信机间供给“量子纠缠”。因此，在全光量子通信系统中，量子中继器仅在操作过程中使用。

全光量子通信系统，采取的是“时间反转”方式，它让生成“量子纠缠”与交换“量子纠缠”发生时间反转，事实上，在“时间反转”方式中，量子中继器只在操作过程中存在。