中國科大首次演示多模式量子中繼並實現兩個固態儲存器的量子糾纏

2021-06-03 18:24:20

IT之家 6 月 3 日訊息從中國科大獲悉，中國科大郭光燦院士團隊在量子儲存和量子中繼領域取得重大進展。該團隊李傳鋒、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。

IT之家瞭解到，該成果 6 月 2 日 23 點線上發表在國際著名學術期刊《自然》上。

▲基於吸收型量子儲存器實現量子中繼的原理示意圖 | 圖源：中國科大

據介紹，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。為了建立起全國乃至全球的量子網路，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。

國際上已有的量子中繼基本鏈路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。理論研究表明，基於吸收型量子儲存器的量子中繼架構可以解決這一問題。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。

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，近十年不斷提升固態量子儲存的效能指標以滿足量子中繼的技術需求，包括使儲存保真度達 99.9%、模式數達 100 個、光儲存壽命達 1 小時等。在本實驗中，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%。該工作證實了基於吸收型量子儲存構建量子中繼的可行性，並首次展現了多模式複用在量子中繼中的加速作用。該成果為量子中繼的發展研究開創了一個可行的方向，為實用化高速量子網路的構建打下基礎。

▲實驗裝置圖 | 圖源：中國科大

論文連結： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3

中國科大首次演示多模式量子中繼並實現兩個固態儲存器的量子糾纏

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