掺铒光纤量子存储器:它能再一次改变世界吗

作者: 周强

来源: 科学网周强博客

发布日期: 2015-01-14 09:06:06

本文介绍了掺铒光纤在量子存储器中的应用及其对未来通信技术可能带来的影响。文章详细阐述了量子保密通信技术的发展历程、面临的挑战以及最新的研究进展,特别是掺铒光纤在量子态存储和提取方面的突破。

毋庸置疑,在人类社会的信息化发展历程中,光通信技术起到了举足轻重的作用,该技术长距离发展的关键是掺铒光纤放大器的研制。可以说,石英玻璃制作而成的光纤是上帝赐予人类的礼物,而掺铒光纤则是这份礼物之外的额外惊喜。如果没有掺铒光纤(放大器)的成功研制,人类社会不会在近三十年里发生如此巨大的变化。

经典光通信是幸运的,低损耗的光纤加上无缝连接的光放大器解决了信息传递过程中十之八九的硬件困难。

在经典光通信发展的同时,一项更为安全的(‘绝对’安全)的通信技术的研究也在三十年前悄然开始了。与经典光通信相区别,这项技术被称作量子保密通信,或简称量子通信。

其基本的思路是利用量子物理的基础和资源,比如量子不可克隆定理、量子测量不确定性(测不准)关系、量子相干叠加和量子纠缠资源等,实现密钥信息的安全分发;在安全分发密码信息的基础上,结合‘一次一密’的加解密算法,即可实现被信息理论所证明的‘绝对’安全的保密通信。

原则上,量子保密通信技术可以使用任意的可被传输的量子系统作为密码信息的载源。

在众多的量子信息载源中,光子高速和高保真的传输特性,使得其成为量子保密通信系统中应用最广泛的信息载源。首个利用光子作为信息载源的量子保密通信实验系统,搭建于上世纪九十年代初,距今已经过去了二十多年。但到目前为止,还没有可实用的量子保密通信系统供人们使用。

相较于经典光通信技术的发展历程而言,基于光子的量子保密通信系统的发展脚步相当缓慢,尽管大量高水平的研究工作还在不断的发表,其实用化的前景仍需不断探明。

简要说来,阻碍量子保密通信技术实用化发展的因素,主要体现在三个方面:第一,理想单光子源的实现。目前看来实现理想单光子源还是一个艰巨的任务。

所幸的是在本世纪初,多位学者提出并证明通过随机地发射不同光强水平(平均光子数水平)的弱相干单光子波包(衰减的激光),可以实现在100公里量级地理尺度范围内(自由空间链路或者光线链路)的安全量子密钥分发。第二,单光子探测器。目前单光子探测器的效率和暗噪声,相比与30年前,都有了显著的提升。

但是,五年前Markov等人发现了量子保密通信系统中的单光子探测器致盲攻击漏洞,这使得在过去20年左右时间内研发的基于制备-测量方案的量子保密通信技术,都面临着被抛弃的局面。第三,长距离量子保密通信及其网络的实现。对比经典光通信技术,量子保密通信技术的安全通信距离仍然受限。其原因是光子态在传输过程中的损耗、探测器的暗计数噪声和测量系统的不完美。

目前,基于固态材料的量子存储工作已有大量的报道。

但是,从工程的角度来看,最佳的材料体系选择仍不清楚。尽管,目前人们在600-800纳米波段研制成功了较高质量的固态量子存储器件;但是,实现1.5微米波段的量子存储器还需要进行大量的尝试,相应的工作也将更有意义:一方面,在光通信的发展过程中,人们已经在该波段研制出大量成熟的器件技术;另一方面,基于光纤的光通信波段量子保密通信技术也得到了大量的发展。

这些都将为未来的量子保密通信网络提供器件技术和基础链路基础。

而在今天,这一看似不可能的工作却发表在了《Nature Photonics》上;在该工作中,来自加拿大卡尔加里大学的研究人员(Erhan Saglamyurek 和 Wolfgang Tittel 等)实现了掺铒光纤中量子态的存储和提取。

具体的,他们通过将20米长的低掺杂掺铒光纤制冷到0.8K的温度,极大的抑制系综的声子过程,进一步结合原子频率梳(Atomic Frequency Comb)协议实现量子态的储存,实现了1.5微米波段光子态的存储(存储时间5 ns)和提取(提取效率约1%)。

大约二十年前,掺铒光纤放大器的发明为人类的光通信技术带来了本质的飞跃;今天,人们也首次次的在掺铒光纤中实现了量子信息的存储(尽管目前各方面指标还不理想,存储时间和效率等),不知这一突破是否能够推动人类信息技术的再一次发展呢?

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