上海交大团队使得构建实用化室温量子网络成为现实
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“赶在七月的第一天，完成预答辩，在这个纪念的日子里开启新篇章，‘三十八年过去，弹指一挥间。可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀’。”
这是上海交大 95 后博士生李航，在 “七一” 当天写下的朋友圈，结合最近中国航天在火星探测以及空间站建设的一些列成就，他不禁在毕业答辩的当天有感而发。
图 | 李航（来源：受访者）
李航今年 26 岁，来自湖北黄冈著名的 “教授县”—— 蕲春县（据不完全统计，自 20 世纪以来蕲春县走出 4000 多名教授级人物，因此被誉为“教授县”。），目前是上海交通大学物理与天文学院金贤敏教授团队的一名量子物理专业的在读博士生，也是一名中国航天的铁杆粉丝，因此才有了朋友圈的那段话。
近日李航所在的金贤敏教授团队，在实验上首次基于室温原子系综实现独立量子节点之间的预报纠缠。相关论文以《预示两个室温原子系综之间的量子纠缠》“Heralding quantum entanglement between two room-temperature atomic ensembles” 为题发表在国际光学期刊 Optica 上。其中，金贤敏教授担任通讯作者，李航则是第一作者。
图 | 相关论文（来源：受访者）
在实验中，该团队通过设计巧妙的解决方案，攻克了在室温原子系综中构建量子节点间的预报量子纠缠的难题，这促进了更加大规模可扩展、更加实用化的量子网络的发展。
图 | 金贤敏（来源：受访者）
建立全球范围内实用化的量子通信网络有望成真
此前，根据经典与量子的对应，科学家们构想出量子网络这一概念。而量子信息技术的不断进步，让量子网络不再是一种想象，而是能在实验室中被广泛验证并建立。
按照功能，量子网络可以分为两种类型，一种是量子通信网络，主要用于构建全球范围内的量子通信网；另一种是量子计算机网络，可用于构建分布式量子计算网络。
基于量子网络的构想，可构造出量子中继网络，量子中继器则是其中最核心的架构。通过量子中继网络，量子资源能在突破空间距离限制之后来进行分发，这意味着建立全球范围内的量子通信网络有望成真。
而在量子计算机网络中，一个局部节点就是一台小型计算机，具备量子计算机的所有功能，因此局部量子计算比特的寄存器可以通过网络进行相互连接，一个巨大的分布式量子计算网络可被构建出来，它的计算潜力和模拟潜力十分巨大。
我们甚至能将精密的量子传感器构建成网络，这样量子传感网络就会带来精度更好的精密测量。
图 | 室温量子网络节点示意图。(a) 量子网络概念图 (b) 室温量子节点建立纠缠流程图（来源：受访者）
让构建室温大规模可扩展量子网络成为可能
截止目前，人类在冷原子系综、超低温的掺杂固态晶体、离子阱以及腔 QED 等系统中演示了构建量子网络的可行性。其前提是，必须在独立的量子节点之间建立预报量子纠缠连接。
但假如想构建可大规模扩展的量子网络，那些对物理条件要求严苛、且调控手段复杂的实验系统，会让量子网络更难以照进现实。
基于此，科学家们开始接触室温原子系综，由于该系统处在日常生活条件下，面临的最大困难是在失去超低温、失去激光冷却和束缚等调控条件后，体系噪音问题非常严重。而量子纠缠资源既脆弱、又容易退相干，因此要想在室温量子节点之间，就很难去构建预报纠缠任务。
但科学家就是要将不可能变为可能，故此团队将两个室温宽带量子存储器真正地纠缠在一起，定为该研究的核心任务。
室温原子系统，也可理解为热原子系统，它不同于冷原子系统。在冷原子系统中的实验，通过激光冷却和陷俘的手段，可以极大地降低原子热运动的速度并将它们囚禁到一起。冷原子系统必须使用复杂操控手段，才能给原子降温并 “囚禁” 起来，代价便是必须使用复杂而且体积大的装置，因此实验的难度和成本都很高。
而室温原子系统下的量子实验温度在 60℃左右，这时原子都在不断飞行，速度大约是每秒 150 米左右，并且原子都是以气体的形式存在。
图 | 成功构建两个室温原子系综间的预报量子纠缠（来源：受访者）
该团队则把原子放到直径 2-3 毫米、长度大概 7 厘米的玻璃池中，只需设置简单的加热装置，控制到需要的温度即可。这一简单设计，极大地降低了实验的复杂度和成本。
要想攻克上述任务，首先要解决从源头上避免显著噪音的科学机制问题。研究中，该团队基于国际公认的构建量子中继的 DLCZ 方案，并结合远失谐机制，制定出了相关方案，这为在室温原子系综中观察到超高量子关联奠定了基础。
为了方便实验顺利进行，该团队避开了超低温、冷却原子和离子等非常复杂的调控手段，并通过设计巧妙的方案来完成从庞大的噪音背景中提取单光子信号的任务。
其中，涉及到两项巧妙、且易于操控的设计：其一是针对正交偏振干涉仪的锁相设计，其二是控温精度极高的滤波腔设计，它们帮助该团队顺利实现了室温原子系综间的预报纠缠。
图 | 室温量子网络解决方案的实验装置模型图（来源：受访者）
构建量子网络，最基础的模块是要构建两个量子储存器之间的预报纠缠。李航告诉 DeepTech，2018 年他们实现了室温条件下的宽带量子存储器，本次研究更进一步是把两个量子存储器纠缠起来。
图 | 验证量子纠缠存在的实验结果：（a）高干涉对比度的量子干涉曲线 （b）重构原子系综纠缠态的密度矩阵
研究中，他们观察到了室温存储器间量子纠缠，这主要基于稳定的相位锁定和强大的滤波能力。
他们通过观察到了高干涉对比度的量子干涉曲线，成功地重构出两个独立室温原子系综之间预报纠缠的密度矩阵，也充分验证了这种原子系综间预报纠缠的存在。
未来将致力于提升寿命
成功地实现室温原子系综间的预报量子纠缠仅仅只是个开始，研究团队未来还将朝着几大方向来努力。
图 | 研究团队合影，右二为第一作者（来源：受访者）
李航介绍称，冷原子系统的冷却温度比较低，相对热原子而言也能操控得比较好，而且噪音非常低、存储的相干寿命也比较长，大约是几百毫秒。而他们在室温系统下实现相干寿命只有几微秒，在实际应用中储存寿命也很重要，量子网络的基本节点，其实就是一个独立的量子存储器，因此未来他们的首先任务是提高室温宽带量子存储器的寿命。
下一步，将通过给原子池的池壁加一些抗弛豫的镀膜手段，来延长室温原子系统的相干寿命。目前最新的国际上研究成果表明室温原子系综的量子存储器同样可以实现毫秒级别的存储寿命，这一记录还有望得到刷新。
（来源：受访者）
其次是进行通信波长的转换，这在许多前沿进展中都已经被成熟地运用，这项技术将使得基于室温原子系综的量子网络节点和现行的光纤通信网络兼容，这将为实现真正实用化的量子网络打开一个良好的开端。
未来，该团队还将继续对室温原子系综简单易操控的优势进行充分发掘，将其进一步做到小型化甚至芯片化，这将为实用化量子信息处理创造更多全新的可能。
追求实现大规模可扩展的量子网络是研究人员的梦想，而迈向真正室温条件下实用化的量子网络，室温原子系综无疑是最简单最引人注意同样也是最让人望而却步的一种系统。
吸引人之处在于，它的装置极为简单，设备运行情况最接近日常生活的条件，而且成本也具有无可比拟的优势。
令人望而却步之处在于，当我们撤掉超低温、无需复杂激光冷却和束缚等一些列严苛的调控手段时，室温原子系综似乎变得让人无法掌控，如何才能大海捞针一般从噪音中提取到目标单光子信号是科研人员面对的 “不可能任务”。
然而今天，研究团队首次从原理上证明基于这样的室温原子系综，同样也可以实现构建量子网络节点的预报纠缠，这无疑为将来实用化量子网络的构建打开了一种新的可能。
图 | 在讲解 PPT 的李航（来源：受访者朋友圈）
李航表示，量子网络和通常所理解的互联网概念相似，比如互联网是每个计算机可以看到一个节点，全球几十亿 PC 用户的计算机，即可视为几十亿个节点，这些节点通过网络连接起来，从而让信息得以相互传递，如此便构成了互联网。而量子网络也是一个个局部的量子节点，通过相互链接而成为一个网络。
该研究的主要意义在于证明，在室温原子系统这种一个贴近实用化的工作介质中，可以构建出量子网络。
此前人们用的多是冷原子，或者在其他超低温的固体晶体系统，需要严苛的操控条件以及较为高昂的成本。
而室温原子系统操控起来很简单，成本更低也更贴近实用化环境，因此能在室温系统中构建预报纠缠，为更贴近实用化的量子网络奠定基础。
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