中科大再登Nature封面，郭光燦團隊首次實現多模式量子中繼

2021-06-03 18:03:19

機器之心報道

編輯：蛋醬、陳萍

來自中國的研究團隊，又一次在量子技術領域取得了重大進展。

當兩個量子產生糾纏，一個變了，另一個也會瞬變，無論相隔多遠，藉助量子糾纏可實現量子通訊。近期，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組利用固態量子儲存器和外接糾纏光源，首次實現兩個吸收型量子儲存器之間的可預報量子糾纏，演示了多模式量子中繼。

北京時間 6 月 2 日晚，該研究成果登上國際著名學術期刊《Nature》新一期封面。

這是量子儲存和量子中繼領域的重大進展。中科院量子資訊重點實驗室的博士後劉肖和博士研究生胡軍為該論文的共同第一作者。

《Nature》雜誌審稿人對該工作給予高度評價：「這是在地面上實現遠距離量子網路的一項重大成就。」

論文地址：https://www.nature.com/nature/volumes/594/issues/7861

遠端量子糾纏傳輸，是構建全球量子通訊網路的核心任務。但由於單光子在光纖傳輸中的指數級損耗問題，量子態在光纖中傳輸的距離被限制在百公里量級。因此，量子網路的建設需要採用量子中繼方案，其基本思路是把長程糾纏傳輸的任務分解為多段短距離的基本鏈路，在基本鏈路上建立量子儲存器之間的可預報糾纏，然後利用糾纏交換技術把量子糾纏擴展至目標距離。

在中國古代神話中，牛郎織女一年才得一會。中科大科研團隊以此描繪遠端量子糾纏傳輸難題：「通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發射一百億個光子，要花三百年才能接收到一個光子。」

基於吸收型量子儲存器實現量子中繼的原理示意圖。

量子儲存器是量子中繼的核心器件，用於儲存光子糾纏態，待相鄰儲存器糾纏成功後，再執行下一步糾纏交換。此前，國際上的研究者已在冷原子氣體和單量子系統中實現量子中繼的基本鏈路，但均基於發射型量子儲存器構建，其糾纏光子是由儲存器本身發射出來的。這種架構難以同時支援確定性光子發射和多模式複用儲存，從根本上限制了糾纏分發的速率。

中國科學技術大學的李傳鋒、周宗權研究組長期從事基於稀土離子摻雜晶體的固態量子儲存器的研究。他們發現，基於吸收型量子儲存器的量子中繼架構可以解決上述問題。這一架構把量子儲存器和量子光源分離開來，故能同時相容確定性光子源和多模式複用，是目前理論上通訊速率最優的量子中繼方案。

論文共同通訊作者李傳鋒和周宗權在檢視量子儲存器。

在這項研究實驗中，研究組基於參量下轉換技術製備了兩套糾纏光源，並基於獨創的「三明治」結構製備了兩套固態量子儲存器。每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子儲存器所儲存，而每對糾纏光子中的另一個光子被同時傳輸至中間站點「鵲橋」進行貝爾態檢驗。一次成功的貝爾態檢驗會完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個空間分離 3.5 米的固態量子儲存器之間建立起量子糾纏，儘管這兩個儲存器沒有發生任何直接的相互作用。

量子中繼基本鏈路的演示實驗中實現了 4 個時間模式的複用，使得糾纏分發的速率提升了 4 倍，實測的糾纏保真度達到了 80.4%。

這一成果證實了基於吸收型量子儲存構建量子中繼的可行性，首次展現了多模式複用在量子中繼中的加速作用，為實用化高速量子網路的構建打下堅實基礎。

圖 2: 實驗裝置。

周宗權副教授表示：「利用吸收型量子儲存器有望在未來實現高效率的量子中繼和量子網路，進一步推動量子世界裡『牛郎與織女』的順利通訊。」

李傳鋒教授表示：「下一步，研究組將繼續提高量子儲存器的各項指標，並採用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。」

中科大再登Nature封面，郭光燦團隊首次實現多模式量子中繼

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