量子中继器实现纠缠的关键

深蓝色的畅想

量子网络是长程量子通信和分布式量子计算的载体，它可以基于量子纠缠建立起来。远程的量子纠缠态可以支持包括量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等众多量子信息的应用。单个光子是量子纠缠、量子信息的理想载体，然而单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗，单光子穿越100千米光纤的几率是百分之一，而穿越500千米光纤的几率则降至100亿分之一。

由于这种不可避免的信道损耗，目前基于光纤的纠缠分发距离被限制在百千米量级。在经典通信中，这个问题可以通过中继放大器对经典信号不断放大来解决。不幸的是，由于量子不可克隆定理的限制，即未知的量子态不能被精确复制，传统的中继放大器不适用于量子通信。远程量子纠缠分发也就成为了量子信息领域的核心挑战之一。

对于这一难题，一个可能的解决方案是量子中继，其基本思想是把大尺度网络分割成多段小尺度网络。比如500千米的量子纠缠传输可以分解为5段100千米的短程纠缠，在短程纠缠依次成功建立的条件下，再利用纠缠交换建立远程纠缠。

这种方法面临的问题是，每个100千米的纠缠建立的时间一般不同步，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立。这就需要量子存储器同步这个过程，每个节点的纠缠一旦成功建立则存储起来，等到所有节点都成功建立时，存储器之间进行纠缠交换最终建立远程纠缠。所以大尺度量子网络要解决的核心问题，就是高性能量子存储器的物理实现。

具体来说，量子存储器用于储存光子的纠缠态，作为不同链路内纠缠建立以及纠缠交换过程的同步装置，它是量子中继器能够实现纠缠分发加速的关键。基本链路内使用的信道包括光纤以及自由空间信道。光纤量子中继的整体结构和经典光纤通信类似，是最有希望达成量子网络目标的技术路线。量子中继并不能消除光子损耗，但可以把通过光纤直接传输的指数损耗转变为可以容忍的多项式量级的损耗，这在远程通信中会展现显著的优势。而自由空间信道损耗低于光纤，我国已利用墨子号卫星实现了长达1200公里的远程纠缠分发，但尚未引入量子存储器。

随着量子信息技术的快速发展，未来量子通信卫星可以结合量子存储器，实现覆盖全球的高速量子通信。