研究进展

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，通过实验和理论研究了“九章”处理这两类图论问题为搜索算法带来的加速，及该加速对于问题规模和实验噪声的依赖关系。该研究成果系首次在具有量子计算优越性的光量子计算原型机上开展的面向具有应用价值问题的实验研究。相关论文近日以“编辑推荐”的形式发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上，并被Physics网站专题报道。

                                                    图片1：“九章”量子计算原型机与图论问题对应关系原理示意图

中国科学技术大学潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。

量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发（TF-QKD）协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际著名学术期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志。

量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10Mb/s（10公里标准光纤信道下）。为了实现更高的密钥率，需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。在发送端，高码率QKD需要高保真度的量子态调制，然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率；在接收端，同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。

近日，中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发(Mode-pairing QKD)，相关研究成果于1月17日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

                                                                    图1.模式匹配量子密钥分发协议示意图

近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强等与济南量子技术研究院等单位的科研人员合作，在国际上首次关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞，利用类空间隔的纠缠交换光量子网络对实数形式的量子力学进行了检验，以超过5.3个标准差的实验精度验证了实数无法完整地描述标准量子力学，严格确认了量子力学中复数的必要性。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》上。由于该工作广泛的兴趣，美国物理学会专门在APS News栏目撰文报道。

量子物理是否确实需要复数的参与，一直是一个长期的基础性问题。2022年初，潘建伟团队利用可实验验证的、类似贝尔不等式的定量判据，率先完成了排除了实数形式描述标准量子力学的第一个实验检验[Phys. Rev. Lett. 128, 040403 (2022)]。该工作利用的是同一个超导量子芯片上的四个量子比特，距离上无法满足类空间隔的要求，因而存在定域、测量独立性、纠缠源独立性等问题。

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、姜海峰、彭承志等与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19。实验结果有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，向建立广域光频标网络迈出重要一步。该成果于2022年10月5日在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。

        近日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉等，将里德堡相互作用与高效单光子接口技术相结合，首次成功制备基于里德堡超原子的多光子纠缠，为单向量子中继等应用奠定基础。相关研究成果于8月11日发表在《自然·光子学》上。

        多光子纠缠在量子计算、量子通信以及量子精密测量中有重要应用。以往多光子纠缠的主要制备方式是采用非线性晶体内的参量下转换过程。然而参量过程中，光子是概率产生的，导致其向更多光子拓展时亮度下降较快。采用单量子体系的确定性优点，顺序生成多个关联单光子是制备多光子纠缠的另一重要途径。该方案非常节省实验资源，并且在原理上具有更高的可拓展性。

        以往实验已在量子点等体系实现该方案的原理性演示，然而在光子数的可拓展性上并未超越传统参量下转换实验。原子系综是量子存储的重要物理体系。通过引入里德堡相互作用，原子系综变为一个超原子，使得确定性的量子态操控成为可能。里德堡超原子同时具有单原子体系与原子系综体系的双重优点，在光子接口、纠缠制备等方面具有优势。

        近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、徐飞虎等，通过发展设备无关理论协议和构建高效率的光学量子纠缠系统，首次在国际上实验实现了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）的原理性演示，相关研究成果以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式于7月28日在线发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会（APS）下属网站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”为题报道。

        量子密钥分发（QKD）相比于传统通信协议，能够使得两个远距离的用户之间共享信息理论安全性的密钥，结合一次一密的加密方式，可以确保原理上无条件安全的通信。传统QKD方案通常需要对使用的设备有一定的了解和信任，然而在现实条件下，设备可能存在着某些不完美的特性。这些特性往往会为攻击者提供威胁系统安全的侧信道，造成现实条件下的潜在安全隐患。目前的主要解决方案是对设备进行检测并制定相关标准，从而确保其在现实条件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。