中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院郭光燦教授團隊在量子儲存和量子中繼領(lǐng)域取得重大進展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組借助固態(tài)量子儲存器和內(nèi)置糾纏光源，首次實現(xiàn)兩個吸收型量子儲存器之間的可預(yù)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(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)刊物《自然》上。
圖1基于吸收型量子儲存器實現(xiàn)量子中繼的原理示意圖
因為單光子在光纖傳輸中的指數(shù)級耗損問題，量子態(tài)在光纖中傳輸?shù)木嚯x被限制在百公里量級。為了構(gòu)建起全省乃至全球的量子網(wǎng)路，須要采用量子中繼方案。其基本思路是把長程糾纏傳輸?shù)娜蝿?wù)分解為多段短距離的基本鏈路，在基本鏈路上構(gòu)建量子儲存器之間的可預(yù)報糾纏，之后借助糾纏交換技術(shù)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(fā)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(fā)射下來的。這些構(gòu)架未能同時支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用儲存，從根本上限制了糾纏分發(fā)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(gòu)架可以解決這一問題。這一構(gòu)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(fù)用，是目前理論上通訊速度最優(yōu)的量子中繼方案。
李傳鋒、周宗權(quán)研究組常年從事基于稀土離子參雜晶體的固態(tài)量子儲存器的研究，近六年不斷提高固態(tài)量子儲存的性能指標以滿足量子中繼的技術(shù)需求，包括使儲存保真度達99.9%、模式數(shù)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(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)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(tài)檢驗。一次成功的貝爾態(tài)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(tài)量子儲存器之間構(gòu)建起量子糾纏，雖然這兩個儲存器沒有發(fā)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(xiàn)了4個時間模式的復(fù)用，致使糾纏分發(fā)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(fù)用在量子中繼中的加速作用。
該成果為量子中繼的發(fā)展研究開創(chuàng)了一個可行的方向，為實用化高速量子網(wǎng)路的建立打下基礎(chǔ)。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(yīng)用中具有一系列的優(yōu)勢量子傳輸速率，例如多模式復(fù)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(chǔ))”；“suchisamajorlong-onland(這是在地面上實現(xiàn)遠距離量子網(wǎng)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(xué)基金委、安徽省以及中國科大學(xué)的捐助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新推動會的捐助。
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圖2實驗裝置圖