量子信息网络关键技术与核心组件_姚飞.pdf

|信息通信技术与政策量子信息网络关键技术与核心组件姚飞赖俊森李芳赵文玉(中国信息通信研究院技术与标准研究所,北京 100191)摘要:量子信息网络旨在连接多个量子处理器节点,提供量子计算机和量子传感器等量子信息系统之间的互联组网能力,是未来量子信息技术发展演进和融合的重要方向之一。对量子信息网络的关键技术原理、核心使能组件以及未来技术发展关注点进行综述,为相关领域的研究与应用探索提供参考。关键词:量子信息网络;量子中继;量子器件中图分类号:O413;TN918.3 文献标志码:A引用格式:姚飞,赖俊森,李芳,等.量子信息网络关键技术与核心组件J.信息通信技术与政策,2023,49(7):60-67.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0080 引言量子信息网络是利用量子力学原理实现信息传输和处理的一种新型网络,具有高效、安全、可扩展等优点,是未来信息社会的重要基础设施。量子信息网络的实现依赖于多种使能技术,如量子纠缠、量子中继、量子存储、量子态转换等,以及各种关键器件,如量子光源、单光子探测器、量子存储器、量子转换器等1。本文对量子信息网络的关键技术及核心组件进行了综述,并根据现阶段技术发展现状分析探讨了量子信息网络技术及组件未来发展的关注点。1 量子信息网络关键技术量子信息网络是一种基于量子力学原理的信息传输和组网系统,通过利用量子纠缠特性,实现远距离的信息传输。量子信息网络不同于经典网络可以独立存在,量子网络需要结合并依赖经典网络来实现组件的互联及经典控制,故量子信息网络实际上是量子网络和经典网络的混合体。量子信息网络基于量子隐形传态协议进行构建,信息的发送方和接收方通过纠缠光子对的制备分发建立量子通信信道,通过贝尔态(Bell States)测量和经典通信信道,发送方可以测量包含未知量子态信息的光子并将测量结果告知接收方,接收方根据结果对纠缠光子进行相应的操作,从而获得发送方光子的量子态信息,完成量子通信过程。量子信息网络节点之间可通过纠缠光子进行量子态信息传输,量子存储、量子中继、量子态转换是实现量子信息网络的关键使能技术。1.1 量子存储量子存储一般可通过光与物质的相互作用、物质内部状态自行干涉或是相位关系的演化和恢复等来实现。能够实现量子存储的研究对象一般需要有较为理想的分立能级结构,目前在国际上得到广泛研究的量子存储系统有单原子、原子系综、稀土离子、离子阱、固态缺陷体系等2。同时,亦有多种量子存储协议方案受到 关 注,包 括 电 磁 诱 导 透 明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)、原子频率梳、光子回波、Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)存储方案、拉曼存储等。其中,基于三能级原子的 EIT 是较为常见的量子存储协议,其原理如下。06专题:量子信息技术2023 年第 7 期EIT 是一种利用驱动场非线性效应实现量子存储的方案3。EIT 利用具有三能级的原子系综,通过调节控制光场和弱信号场来传递量子信息。图 1 是型三能级原子能级示意图,分别为三能级原子的基态、激发态和亚稳态,分别是弱信号场(也称探测光场)以及控制光场的频率大小。弱信号场携带想要存储的量子信息,控制光场通过激发态与基态耦合来控制原子系统。当控制光场频率与亚稳态和激发态之间的能级差发生共振时,信号场与其中两个共振能级发生相互作用,所携带的量子信息被转化到原子的一个特定的叠加态中。由于这个叠加态几乎与光场解耦,因此被称作暗态,它是保证量子信息长时间储存的关键。暗态是原子系综与信号光场的纠缠态,且暗态中不含原子的激发态,故不存在自发辐射跃迁现象。暗态提供了一种很好的将光场的量子态转移至原子系综的方法,通过绝热改变的比值,可以将光场携带的量子信息完全转移至原子系综态的信息中。图1 型三能级原子能级示意图在具体操作时,可在打开控制光场的情况下,将信号光脉冲馈送到 EIT 腔中,然后关闭控制光场,让空间压缩的光脉冲在 EIT 腔内传播,从而将脉冲携带的量子信息存储为原子基态的集体激发,实现光量子存储。当需要提取量子信息时,再次打开控制光场,信号脉冲离开 EIT 腔体。量子存储是实现量子信息网络的关键技术之一,基于超导、量子点和核自旋等存储器已取得了重要进展。然而,存储时间、读写操作和可扩展性仍面临挑战,未来将继续改进存储器性能、探索新架构,以期获得功能更强大的量子存储器件。1.2 量子中继在量子网络中,光子在传输过程中的损耗会导致通信距离的指数级下降。由于不可克隆原理,光量子比特中携带的信息不能被复制或放大,故经典中继器不适用于量子通信。1998 年,Jurgen Briegel 提出了量子中继器(Quantum Repeater)模型4,以克服长距离量子比特传输的障碍,即通过将量子中继节点部署在端节点的中间,从而将量子网络分段,进而使得直接传输的距离缩短到可接受的范围内。用于产生长距离纠缠的量子中继器方案首先将网络分成若干段5-6,并在这些节点上放置中继器,然后在相邻节点之间生成多个纠缠对,并对这些纠缠对进行纠缠纯化,之后执行纠缠交换,以创建一个比原来链接两倍长的链接。然后,对这些新链接进行纠缠纯化,并再次执行纠缠交换,以创建一个四倍长的链接。一直持续这个过程,直到在末端的中继节点之间生成纠缠。量子中继协议需要经过三个主要操作步骤来创建可用于量子通信任务的长程 Bell 态,三个操作过程具体如下。(1)纠缠分发(Entanglement Distribution):在网络节点之间创建纠缠的过程。(2)纠缠纯化(Entanglement Purification):又称纠缠蒸馏,从多个弱纠缠态中产生一些强纠缠态的过程。(3)纠缠交换(Entanglement Swapping):在中继节点间进行纠缠交换,使端节点的量子位瞬间纠缠。由上述量子中继的操作过程可知,量子中继协议的一个基本要求是必须能够存储所创建的基本纠缠,直到在相邻链接中也建立纠缠,以便能够执行所需的纠缠交换操作。由此产生的更高级别的纠缠也需要存储,直到建立相邻的更高级别链接,依此类推。因此,每个中继节点都需要量子存储器。目前,出现了无量子存储的中继协议,即采用光学模式上的量子纠错(Quantum Error Correction,QEC)取代传统的原子或固态量子存储器,这就是全光子量子中继7,是目前量子中继的一个热点研究方向。量子中继是实现远距离量子通信和量子信息网络的关键技术,其发展面临的主要挑战包括多节点间纠缠建立、纠缠纯化、交换效率的提升等,未来将重点提高中继传输距离和纠缠交换保真度等,以构建更复杂的量子中继网络。1.3 量子态转换 量子态转换是实现量子信息网络互联的关键步16|信息通信技术与政策骤,它实现不同类型量子资源之间的互操作性和互联性,促进节点间的信息传输和共享。量子态转换的技术原理多样,取决于所使用的量子系统和应用需求。常见的技术包括:利用光子-原子相互作用,通过操纵光的频率、相位等参数实现光子-原子量子态转换;通过调控自旋系统(如电子自旋、核自旋等)与光子之间的相互作用,实现量子态转换;利用量子门操作在量子比特之间实现特定的相互作用进行量子态转换等。量子态转换是实现高效、可扩展量子网络的基础,对于构建可扩展的量子网络和实现灵活的网络拓扑具有重要意义,是未来量子技术实际应用发展的重要基础。目前,量子态转换技术已经取得了部分阶段性进展,成功实现了光子-原子、超导量子比特或固态材料之间的相互转换。但仍面临诸多挑战,包括提高量子态转换效率、保真度、可靠性等方面的问题。未来,应注重优化转换器的结构和材料,提高资源利用率和噪声抑制能力等。2 量子信息网络核心组件量子信息网络由量子信道将多个量子网络节点相连构成网络,实现信息互通8-9。目前,量子信道主要有两种:一种是用于传输微波或光波的自由空间通道;另一种是基于光纤通信波段的光纤通道。量子网络节点根据功能实现不同,大致分为以下三类8(见表 1)。表 1 量子信息网络节点分类节点分类功能QIN 组件终端节点执行量子应用程序的主机量子计算机量子传感器中继节点负责在量子网络中分配和管理纠缠量子中继器量子路由器支持节点协助终端节点和中继节点进行纠缠分发等量子光源贝尔态分析仪量子存储器量子转换器单光子探测器2.1 量子光源量子光源是量子技术中的关键组件,为量子通信、量子计算和量子传感等的技术应用提供基础资源。常见的量子光源有单光子源10和纠缠光子源11。单光子源是一种理想的信息载体,它可以实现高效率和高安全性的量子密钥分发、量子隐形传态等,其主要性能指标包括单光子纯度、亮度、单色性和稳定性等10。目前,常用的单光子源制备方法有激光衰减、原子辐射跃迁、半导体量子点等。2000 年,基于量子点系统材料的单光子源被首次用于试验中;2016 年,潘建伟团队制备的量子点光子源的光子出射效率达 66%,单光子纯度达 99.1%,光子不可分辨性达 98.5%10;2022年 6 月,量子点光子源取得新的突破,瑞士巴塞尔大学与德国波鸿鲁尔大学合作,在砷化镓(GaAs)平台上用不同的量子点产生了全同的光子。纠缠光源的制备方法主要有三种,分别是基于非线性晶体的自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down-Conversion,SPDC)、基于硅基材料等的自发四波混 频(Four-Wave Mixing,FWM)、基 于 量 子 点(Quantum Dot)等半导体材料进行纠缠源制备源11。SPDC 光源在亮度及可靠性等方面的优势,使其成为目前制备多光子纠缠光源的常用办法。SPDC 效应在多光子纠缠源中的应用是通过采用两个偏硼酸钡(Barium Metaborate,BBO)晶体和一块半波片的复合结构来实现多光子纠缠。1995 年,BBO 晶体首次被用于纠缠光源试验,产生了高对比度的光子对;此后,多个光子的纠缠也逐渐在试验中实现。2018 年 6 月,潘建伟团队利用 6 个光子的 3 个不同自由度成功实现 18量子比特纠缠11-12。2022 年 8 月,马克斯普朗克量子光学研究所利用铷原子成功实现 14 个光子的有效纠缠13,打破此前 12 个光子纠缠的世界纪录。目前,基于半导体量子点和非线性晶体等各种类型的量子光源已在实验室中取得了阶段性进展,成功产生了高质量的单光子和纠缠光子对。量子光源在高速、高效率的单光子发射方面仍有不足,限制了其在实际应用中的可扩展性等性能。然而,量子光源在提高单光子发射率、提升光子质量和纯度,以及实现集成和稳定性方面仍存在挑战。未来,将聚焦于新材料、新器件的研发,提高光源调控技术水平,以满足量子技术的应用需求。26专题:量子信息技术2023 年第 7 期2.2 单光子探测器单光子探测器(Single Photon Detector,SPD)可对单光子响应,将光信号转换成电信号,完成对量子态的探测14,目前较为常用的单光子探测器主要有单光子雪崩 光 电 二 极 管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)及超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)。SPAD 是在盖革模式下的硅基雪崩探测器,主要用于可见光的探测,此探测元件因探测效率低、暗计数率高、恢复时间长而逐渐成为一些光量子试验的掣肘因素。SNSPD 因其对可见光和近红外光波段的光子较为敏感而被广泛应用于光学平台的探测。SNSPD工作原理为:将光子的能量转化为电压脉冲信号进行测量,从而达到探测光子信号的目的。2001 年,基于氮化铌薄膜 SNSPD 首次被俄罗斯 Goltsman 团队验证。之后,科研工作者们均对 SNSPD 展开了积极研究。2006 年,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)将 SNSPD应用于量子密钥分