中國科學技術學院郭光燦教授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、周宗權研究組借助固態量子儲存器和內置糾纏光源，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。該成果6月2日23點在線發表在國際知名學術刊物《自然》上。
圖1基于吸收型量子儲存器實現量子中繼的原理示意圖
因為單光子在光纖傳輸中的指數級耗損問題，量子態在光纖中傳輸的距離被限制在百公里量級。為了構建起全省乃至全球的量子網路，須要采用量子中繼方案。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，在基本鏈路上構建量子儲存器之間的可預報糾纏，之后借助糾纏交換技術把量子糾纏擴充至目標距離。
國際上已有的量子中繼基本鏈路均基于發射型量子儲存器建立量子傳輸速率，其糾纏光子是由儲存器本身發射下來的。這些構架未能同時支持確定性光子發射和多模式復用儲存，從根本上限制了糾纏分發的速度。理論研究表明，基于吸收型量子儲存器的量子中繼構架可以解決這一問題。這一構架把量子儲存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復用，是目前理論上通訊速度最優的量子中繼方案。
李傳鋒、周宗權研究組常年從事基于稀土離子參雜晶體的固態量子儲存器的研究，近六年不斷提高固態量子儲存的性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，研究組基于熱阻下轉換技術制備了兩套糾纏光源，并基于獨創的“三明治”結構制備了兩套固態量子儲存器。每對糾纏光子中的一個光子被披薩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，致使兩個空間分離3.5米的固態量子儲存器之間構建起量子糾纏，雖然這兩個儲存器沒有發生任何直接的互相作用。量子中繼基本鏈路的演示實驗中實現了4個時間模式的復用，致使糾纏分發的速度提高了4倍，實測的糾纏保真度達到了80.4%。該工作否認了基于吸收型量子儲存建立量子中繼的可行性，并首次詮釋了多模式復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建立打下基礎。審稿人對該工作給與了高度評價：“Theworkonthe,whichhasaofintheof,for(這個實驗采用系綜儲存器，在量子中繼應用中具有一系列的優勢量子傳輸速率，例如多模式復用)”；“theisaveryandcleanofthelink…itisathatwillformthebasisfor(這個實驗是對量子中繼器基本鏈路的一個特別直接和清晰的演示，……這是一項重要的成就，將為接出來的研究奠定基礎)”；“suchisamajorlong-onland(這是在地面上實現遠距離量子網路的一項重大成就)”。
中科院量子信息重點實驗室的博士后劉肖和博士研究生胡軍為該論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科大學的捐助。周宗權得到中科院青年創新推動會的捐助。
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圖2實驗裝置圖
