Science |第8篇正刊！中科大郭光燦團隊首次實現多模式量子中繼

TOP前言

“TOP大學來了”小編按，6月2日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組在全球頂級科研期刊《Nature》雜誌發表了題爲“Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories”的文章，研究團隊首次實現多模式複用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式複用的量子通信加速效果，並實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作爲高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。“TOP數據庫”顯示，這是中國科學技術大學2021年度第8篇正刊。

“TOP大學來了”小編按，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組首次實現多模式複用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式複用的量子通信加速效果，並實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作爲高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。6月2日23點《自然》期刊發表了該成果。（點擊閱讀：

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。爲了建立起全國乃至全球的量子網絡，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爲多段短距離的基本鏈路，在基本鏈路上建立量子存儲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。

圖1 基於吸收型量子存儲器實現量子中繼的原理示意圖

國際上已有的量子中繼基本鏈路均基於發射型量子存儲器構建，其糾纏光子是由存儲器本身發射出來的。這種架構難以同時支持確定性光子發射和多模式複用存儲，從根本上限制了糾纏分發的速率。理論研究表明，基於吸收型量子存儲器的量子中繼架構可以解決這一問題。這一架構把量子存儲器和量子光源分離開來，故能同時兼容確定性光子源和多模式複用，是目前理論上通信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存儲器的研究，近十年不斷提升固態量子存儲的性能指標以滿足量子中繼的技術需求，包括使存儲保真度達99.9%、模式數達100個、光存儲壽命達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存儲器。每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子存儲器所存儲，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米的固態量子存儲器之間建立起量子糾纏，儘管這兩個存儲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存儲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。

圖2 實驗裝置圖

該成果爲量子中繼的發展研究開創了一個可行的方向，爲實用化高速量子網絡的構建打下基礎。審稿人對該工作給予了高度評價：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（這個實驗採用系綜存儲器，在量子中繼應用中具有一系列的優勢，比如多模式複用）”；“the demonstration is a very straight forward and clean demonstration of the quantum repeater elementary link…it is a significant accomplishment that will form the basis for further research（這個實驗是對量子中繼器基本鏈路的一個非常直接和清晰的演示，……這是一項重要的成就，將爲接下來的研究奠定基礎）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就）”。

審覈、編輯：大可

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