卡尔加里大学官方报道链接：http://www.ucalgary.ca/utoday/issue/2015-02-05/advances-quantum-internet-moving-light-speed

摘要：量子信息技术已经逐渐进入人类社会的生产活动中。利用量子物理的原理和基础资源，我们可以，在信息的获取（传感）、处理和传输过程中，获得更高的精度、更快的速度和更私密的性能。今天，这些技术的研发，逐渐为人们描述出了未来量子信息工程的轮廓。在未来十年间，最可能实用化的技术，是被称作量子（保密）通信技术的一项信息安全技术。目前，量子（保密）通信技术的性能正在不断的提升，但是从实用化的客户角度来评价，该技术仍然存在实用化的屏障。比如，高速率、长距离的安全信息传输应用是目前难以实现的。这一实用化屏障的主要原因是实现高速率、长距离的量子（保密）通信技术的关键技术（子系统）——量子中继器，还处在婴儿期。尽管，随着量子网络（Quantum network/internet）的提出，量子中继器的理论方案也被人们准确的提出；量子中继器的物理实现仍然是物理学、光电子学和信息技术等交叉学科的一个难题。如今，掺铒光纤量子存储器的出现，为该技术的进一步发展提供了新的血液。或许这是一个机会，一个使我们可以按照光通信技术发展的历史思路来规划和发展量子通信技术的发展蓝图的机会。

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（‘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。（事实上，直接使用衰减激光仍然可以实现安全的密钥分发，但是通信记录将局限在10公里量子的地理尺度内，这是由于激光的统计特性和光子数分束攻击决定的）

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。比如，美国NIST研制成功的超导纳米线单光子探测器，在1.5微米波段，其探测效率可以做到90%以上，噪声水平低于10Hz。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。所幸的是，四年前来自多伦多大学的研究人员，提出并证明使用双光子干涉辅助的量子保密通信技术，具有测量器件无关的安全特性，可以从根本上弥补单光子探测器面临的安全漏洞。同时，该方案还为未来的量子保密通信系统提供了‘星形’组网的结构特点。值得注意的是，在测量无关量子保密通信技术的安全性证明中，仍然需要对光子源进行安全性假设。近年来，‘器件’无关的量子保密通信协议和技术的研究是量子保密通信技术在测量器件无关技术基础上更为全面的发展。

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，实验室环境下，量子保密通信的最长通信距离在300公里以内。而与经典光通信不同的是，量子保密通信无法使用掺铒光纤放大器之类的器件来进一步提升通信距离，这是由量子不可克隆定理决定的。尽管近年来来自澳洲的研究组提出并实验论证可预报的光量子态放大方案，但是该技术方案还不能直接应用到量子保密通信的实用化中。另一个长距离量子保密通信和组网的方案是使用‘可信’中继器的思路，这是一个择中之举，其安全性由‘可信’中继器的安全性决定。具体地，‘可信’中继器可以分为两类。一类是经典‘可信’中继，这类中继器的思路是做加法。比如，要实现2000公里的长距离保密通信，我们可以把20个100公里的量子保密通信基础链路连接起来。在基础链路连接的地方，需要进行‘量子-经典-量子’的中继操作。按照这个办法实现的系统，在其任意一个100公里距离长的系统内，密码分发的安全性都可以得到保证；但是，在相邻的两个链路间的密钥中继的安全性还不能得到证明。因此，这需要在中继处布置重兵把守，实现‘可信’中继。（这让我想起当年关羽将军作战时，使用中继烽火台作为后方和前线之间发送信号的通信方式。但最终关将军也由于这项技术没能成功通信，而导致大意失荆州）。另一类是量子‘可信’中继。由于在该技术中，我们无需像经典‘可信’中继那样进行‘量子-经典-量子’的操作，因此其安全性仍然受到量子力学物理基础的保证，所以人们直接称其为量子中继技术。具体的，在该技术中需要使用量子纠缠资源、量子存储器和量子态测量作为其实现额物理基础。在实现长距离量子纠缠分发的基础上，结合量子态传递技术可以实现长距离的量子保密通信。同时，该技术方案还可结合测量器件无关量子保密通信技术实现长距离量子保密通信网络的组建。

看起来，（测量）器件无关量子保密通信技术结合量子中继方案是实现未来全球保密通信技术的最终解决方案。然而，量子中继器的物理实现仍然是制约我们走向未来的屏障。事实上，量子中继器（量子存储器）的研究工作已经有接近二十年的研究，其涉及的技术方案众多，最佳技术路线仍不明朗。在这方面，掺杂稀有金属离子的晶体（波导）是很好的固态材料体系；相较于气相的冷原子（离子）系统而言，固态材料体系更易实现和操控，比如其不需对原子（离子）进行捕获等操作。

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。

从原子（离子）的光谱分析角度来看，铒离子具有研制1.5微米波段量子存储器的物理潜力。但是，一直以来人们都没有实现基于铒离子的光量子态储存；特别是基于掺铒光纤的量子存储更不易实现，因为铒离子能级与非晶玻璃材料中的声子过程相互作用更为繁复。基于这一原因，一部分研究人员预言利用掺铒光纤实现量子态的存储不具有可行性。

而在今天，这一看似不可能的工作却发表在了《Nature Photonics》上http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2014.311.html；http://arxiv.org/abs/1409.0831。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？