讓普朗克驕傲 陸量子中繼新突破

記者林至柔/綜合報導
旺報

由中國科學技術大學、濟南量子技術研究院及中國科學院上海微系統與資訊技術研究所攜手,12日在英國雜誌《自然》發表新論文,該團隊成功在兩個50公里長光纖連接的量子記憶體間達成「量子糾結」,為構建基於量子中繼的量子網路奠定基礎,此一距離足以用於連接兩座城市。

在量子力學中,當幾個粒子在彼此交互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,這種現象稱為「量子纏結」或「量子糾纏」,一種純粹發生於量子系統的現象。

研究焦點轉往應用

愛因斯坦曾表示,認為量子纏結違背定域實在論,稱之為「鬼魅般的超距作用」,他總結,量子力學的標準表述不具完備性,然而,多年來多項實驗證實量子力學的反直覺預言正確無誤,甚至當測量兩個粒子的分別時間間隔,其比光波傳播於兩個測量位置所需的時間間隔還短。也就是說,量子糾纏的作用速度比光速還快,科學界最近完成的一項實驗顯示,量子糾纏的作用速度至少比光速快1萬倍,且還只是速度下限。

該團隊表示,量子糾纏是很熱門的研究領域,現今,研究焦點已轉至應用性階段,學術界廣泛利用的量子通訊發展通訊業、網路以及透過衛星完成廣域覆蓋,然而光子在光纖上的節點間傳輸時,受限於光纖的固有衰減,目前最遠的點對點地面安全通訊距離僅為百公里量級。

團隊克服多項挑戰

該研究負責人之一、中國科學技術大學教授潘建偉表示,要拓展量子通訊的距離,其中一個方法是將點對點傳輸改為「分段傳輸」,並採用量子中繼技術進行連接,將整個通訊線路分段,讓每段損耗都較小,再透過量子中繼器將這幾段連接起來,建立全量子網路。

然而,受限於光與原子糾纏亮度低等技術瓶頸,此前,最遠光纖量子中繼僅為公里量級,為實現遠距離量子儲存器間的連接,團隊克服多項技術挑戰,例如,團隊自主研發週期極化鈮酸鋰波導,透過非線性差頻過程,將儲存器的光波長由近紅外線轉換至通訊波段,經過50公里的光纖僅衰減至百分之一以上,效率相比之前提升16個數量級。

實驗中,研究團隊結合多項新技術,成功在兩個由50公里長光纖連接的量子儲存器間實現雙節點的量子糾纏,這一距離足以用於連接兩座城市。

潘建偉說,作為原理性驗證,這個實驗中的兩個量子存儲器是在同一實驗室內,透過50公里長的光纖盤連接,下一步要在空間分離的系統中展開研究,推動這項技術的實際應用。

小靈通 量子

是現代物理的重要概念,即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子,量子一詞來自拉丁語「quantus」,意為「有多少」,代表相當數量的某物質,最早是由德國物理學家普朗克在1900年提出的,他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的,只能取能量基本單位的整數倍,從而解釋了黑體輻射的實驗現象。在量子被發現的100多年間,經過普朗克、愛因斯坦、波爾等科學家的努力,現已初步建立量子力學理論。(林至柔)

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