东芝创造光纤量子通信最新记录：600公里！

近年来，随着量子力学领域的不断突破，量子计算受到了越来越多的关注。量子计算作为一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，它与现有计算模式完全不同。

在经典计算机中，信息的基本单位是位(Bit)。所有这些计算机所做的事情都可以被分解成0s和1s的模式，以及0s和1s的简单操作。

与传统计算机由比特构成的方式类似，量子计算机由量子比特(quantum bits)或量子位(qubits)构成，一个量子比特对应一个状态(state)。但是，比特的状态是一个数字(0或1)，而量子比特的状态是一个向量。更具体地说，量子位的状态是二维向量空间中的向量。这个向量空间称为状态空间。

经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0或1的确定状态。于是，量子计算借助量子力学的叠加特性，能够实现计算状态的叠加。即不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

此外，加上量子纠缠的特性，量子计算相较于当前使用最强算法的经典计算机，理论上将在一些具体问题上有更快的处理速度和更强的处理能力。而利用量子力学的反直觉特性制造出的量子计算机，可以达成任何机器都无法实现的运算壮举。

如今，量子计算机开始展示其真正实力，诸如Google和IBM之类的计算巨头，连同众多小规模竞争对手，开始了量子硬件的建造与完善。去年，国产九章量子计算机在200秒内完成了一项普通超算需要25亿年才能完成的计算。

北京时间2021年6月14日讯，随着5G商用网络掀开了数字通信的变革，量子通信逐渐成为人们的关注焦点，东芝公司作为量子通信的头部企业，通过不断努力的研究，成功在长度超过600公里的光纤上进行量子通信的演示，打破了长距离量子通信的记录。

据了解得知，量子通信的出现是为了打造一个“量子互联网”，由远程量子通信链路连接起来的量子计算机的全球网络，可以在云计算中实现对复杂优化问题的超快速解决、更精确的全球定时系统以及全球范围内高度安全的通信。

目前，“量子互联网”最关键的卡脖子技术是如何通过长距离光纤进行量子比特的高效传输，而今东芝通过引入一种新的“双频带”稳定技术，演示了记录量子通信距离的方法。通过发送两个不同波长的光参考信号，以最小化长光纤上的相位波动——第一波长用于抵消快速变化的波动，而与光学量子位相同波长的第二波长用于相位的精细调整。

值得注意的是，东芝的这一最新进展扩展了量子链路的最大跨度，中间无需使用可信中间节点就能将国家和大洲城市连接起来，从而与卫星建立一个全球量子安全通信网络。同时，之前拒绝华为并宣布拆除华为的英国方面，英国电信(BT)已经和东芝方面在2020年安装了英国首个工业量子安全网络。

量子计算有望在未来帮助研究人员解决一些极其复杂的问题，但在此之前，东芝研究团队已经完成了 600 公里(373 英里)的光纤量子通信实验。据悉，传统计算机中的信息，只用到“0”或“1”这种单比特编码。但是在量子计算机中，量子比特却允许叠加态的存在，从而极大地扩展了潜在的计算能力，意味着它们能够解决超出常规计算机能力范围的问题。

比如去年，国产九章量子计算机在 200 秒内完成了一项普通超算需要 25 亿年才能完成的计算。不过量子计算的更大挑战，在于量子比特对于环境干扰相当敏感。就算是极其微小温度变化或波动，都可能对数据有效性造成影响，意味着长距离的量子信息传输也相当困难。

构建量子互联网最困难的技术挑战之一是如何通过长光纤传输量子比特的问题。环境条件的微小变化(例如温度波动)会导致光纤膨胀和收缩，从而扰乱脆弱的量子位，这些量子位被编码为光纤中弱光脉冲的相位延迟。

现在，东芝通过引入一种新颖的“双波段”稳定技术，证明了量子通信的记录距离。这会发送两个不同波长的光参考信号，以最大程度地减少长光纤上的相位波动。第一个波长用于抵消快速变化的波动，而第二个波长与光量子位的波长相同，用于相位的微调。在部署这些新技术后，东芝发现即使在通过 100 公里的光纤传播后，也可以将量子信号的光学相位保持在波长的几分之一以内，精度可达 10 纳米。如果没有实时消除这些波动，光纤会随着温度变化而膨胀和收缩，扰乱量子信息。

近年来，国际科学界梦想着构建全球性的量子通信网，但一大技术难题是量子极易衰减，在光纤中的传输距离只有百公里量级。为此，科学家们提出量子中继的思想，即将远距离传输划分为多个短距离，中间用量子中继连接，解决信号衰减问题。

量子存储器是量子中继的核心器件。“之前大家用的是发射型量子存储器，要么一次只能传输1个量子，效率低;要么一次传输多个量子，但精确率低。”李传锋教授说，他们团队一直致力于研究吸收型量子存储器，经过3年多努力，近期在国际上首次成功使用吸收型量子存储器，演示了多模式复用的量子中继基本链路。

6月2日，国际权威学术期刊《自然》发表了这项研究成果。审稿人给予高度评价：“这个工作是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示……这是一项重要成就，将为接下来的研究奠定基础。”

据悉，这项研究为建设高速率、大尺度的量子网络，提供了全新实现方案。“下一步，我们将致力于提高存储效率和纠缠光源质量，努力实现超越光纤传输的实用化量子中继器。”李传锋说。