中科大「量子鵲橋」登Nature封面，這是一篇你能看懂的解釋

2021-06-04 13:39:37

夢晨發自凹非寺量子位報道 | 公眾號 QbitAI

中科大首次實現多模式量子中繼，並實現兩個固態儲存器的量子糾纏。

看不懂？

沒關係，研究人員將其比喻成「量子鵲橋」：讓「量子牛郎」和「量子織女」在沒見面的情況下就能產生糾纏，這下就很直觀了。

該成果由中國科學技術大學郭光燦院士團隊，李傳鋒、周宗權研究組提出，並登上Nature封面。

量子在光纖中傳輸有指數級的損耗，經過50公里的光纖傳輸，訊號將衰減至最初的十億億分之一。

後續研究通過轉換光波長等方法，將傳輸距離提高到百公里量級，但這還遠遠不夠。

為了實現長距離傳輸，在全國、甚至全球搭建量子網路，就需要中繼方案。

中繼的基本思路就是把長程傳輸分解成多段短距離傳輸，核心是每個節點上的量子儲存器。

通過在儲存器之間建立量子糾纏，再利用糾纏交換技術逐步擴大量子糾纏的距離。

此前的方案是糾纏光子由儲存器直接發射出來的發射型儲存器，李傳鋒教授在接受新華社採訪時表示：

之前大家用的是發射型量子儲存器，要麼一次只能傳輸1個量子，效率低；要麼一次傳輸多個量子，但精確率低。

而本次研究用三年時間完善了吸收型量子儲存器，將儲存和發射分離開來。

△來自中科院量子資訊重點實驗室

實現了在一次捕獲並存儲4對糾纏量子的情況下，兩個節點之間的糾纏保真度還實測超過80%。

量子是怎麼被儲存的？

李傳鋒、周宗權研究組研究的是基於稀土離子摻雜晶體的固態量子儲存，最早於2012年實現99.9%保真度的儲存。

這種儲存器利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態。

△一種優質鐳射晶體

再把一片特殊設計的半波片置於兩塊晶體之間，來實現這兩種偏振態的互換，整個量子儲存器的結構就像「三明治」。

對於經典的硬碟，每一個儲存單元只能儲存一個位元，而量子具有相干性，一個儲存單元可以一次性儲存大量的量子位元。

在此基礎上，研究團隊在2015年利用光子的空間自由度實現了51維的儲存。又在2018年完成空間、時間和頻率分開的多模式複用儲存。

2020年，通過在稀土摻雜晶體中刻蝕出光波導，研究出可整合的量子儲存，並可根據需求決定讀出的時間。

今年4月，又將光儲存時間從分鐘級推進至小時級。

訊號光場(Probe)被梳狀的原子吸收譜吸收，並被控制光場(Control)儲存為自旋激發，在射頻場(RF)的操控下將光儲存時間從分鐘級推進至小時級，儲存保真度達99.9%。

有了以上跨越10年的量子儲存不斷改進，才最終得以實現本次演示的多模式複用，同時儲存4個量子的中繼效果。

本次演示中完整的試驗裝置是這樣的：

在現實中是這樣：

△來自中國科大全媒體中心

對於今後的研究方向，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。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3#Fig10

參考連結：[1]http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/1041[2]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm[3]http://news.ustc.edu.cn/info/1048/34214.htm[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.190505[5]http://news.ustc.edu.cn/info/1032/23085.htm[6]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm

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