喜報頻傳！潘建偉團隊實現現實條件下最遠距離的量子糾纏

今天，中國科學技術大學潘建偉團隊再傳喜報，該團隊的最新成果以《分隔12.5公里的兩個原子系綜之間的後選擇糾纏現象》[1]爲題發表在物理學頂刊《物理評論快報》上。論文中，研究人員展示了一對相隔12.5公里的糾纏量子存儲器的光學連接，實現了迄今爲止最遠的物理距離。今年早些時候的另一項研究[2]實現了33公里的量子糾纏，但他們是在實驗室環境中進行的，而此次是在城市環境中進行的。

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相隔12.5公里的量子存儲器間建立糾纏

量子互聯網有望實現安全通信、精確傳感和分佈式量子計算，實現這一夢想的進展通常是以量子信息通過光纖/衛星連接共享的距離來衡量。

新的實驗在兩個基於原子的存儲器之間建立了糾纏。該論文作者、中國科學技術大學教授包小輝說[3]：“在以前使用衛星或光纖實現糾纏分發的過程中，與其他鏈路的進一步連接是具有挑戰性的，相比之下，在量子存儲器中存儲信息爲通過鏈接網絡分發糾纏提供了一個‘緩衝區’。”

包小輝，中國科學技術大學教授

在該團隊的實驗中，存儲器的組成元素都是原子氣體，它們以自旋波的形式存儲信息，成功在兩個物理上相隔12.5公里的原子量子存儲器之間建立了“後選擇糾纏”，存儲時間長達≈100μs。

第一個節點中建立了原子-光子糾纏：信息被“寫入”一個光子中，這個光子被降頻並通過20.5公里的商業光纖網絡低損耗地傳輸到第二個存儲元件。最終的糾纏被驗證爲具有90%的保真度，爲實現城域規模的量子網絡邁出了重要一步。

城市環境中12公里量子糾纏實驗佈局。上：存儲節點（A和B）的鳥瞰圖，這些節點相距12.5公里，並與20.5公里的光纖連接（17公里與3.5公里長的光纖環路一起部署）。每個節點都包含一個87Rb原子和一個量子頻率轉換器。中：實驗原理圖；下：相應的電平方案。

在這些步驟中，研究人員克服了幾項挑戰，包括在兩個遙遠的實驗室中同步泵浦激光器。下一步的工作將是通過“預示”（heralding）信號來告訴研究人員何時建立糾纏（當前的方法涉及“後選擇”，其中糾纏是通過測量來驗證的）。

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研究一大特色：在實驗室外環境演示

除此之外，光子盒曾在7月初報道過在《自然》雜誌上的另一項研究：來自德國、奧地利、中國的聯合團隊通過長度達33公里的光纖鏈路，展示了兩個遠程量子節點之間的糾纏分發——銣（Rb）原子在相距400米的位置實現了獨立捕獲和操縱。結果表明，在電信光纖鏈路上進行糾纏分發是可行的。但他們是在實驗室環境中進行的，而不是在城市環境中。因此，潘建偉團隊通過創造現實條件下的最遠糾纏距離，爲城域量子網絡打下了基礎。

33公里的糾纏實驗。（右）實驗裝置示意圖。每個節點位於相距400米的建築物中，單個銣原子被加載到光學偶極子陷阱中；（左）長度爲L=6、11、23和33公里的測量設置組合和光纖配置節點中相關測量結果的概率。在33公里的長度時，成功概率爲η=1.22×10−6，重複率爲R=9.7kHz；所有測量保真度都明顯超過了0.5的界限，因此清楚地見證了糾纏態。

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050503

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4

[3]https://physics.aps.org/articles/v14/s75