本網(wǎng)訊（記者陳婉婉）記者6月2日從中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院據(jù)悉，該校郭光燦教授團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組首次實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，突顯了多模式復(fù)用的量子通訊加速療效，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)儲(chǔ)存器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網(wǎng)路的建設(shè)提供了全新的實(shí)現(xiàn)方案。相關(guān)科研成果在《自然》期刊發(fā)表。
遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸是建立全球量子通訊網(wǎng)路的核心任務(wù)。但是，受限于光子數(shù)在光纖中的指數(shù)衰減，地面直接傳輸距離被限制在百公里水平。“牛郎織女尚可一年一會(huì)，而通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發(fā)射一百億個(gè)光子，要花三百年才會(huì)接收到一個(gè)光子。”中科大科研團(tuán)隊(duì)向記者介紹遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸困局時(shí)形象地說。因此，科學(xué)家們提出量子中繼的思想，將要遠(yuǎn)距離傳輸界定為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建可預(yù)報(bào)的量子糾纏，之后通過糾纏交換技術(shù)進(jìn)行級聯(lián)，因而逐漸擴(kuò)大量子糾纏的距離。
實(shí)現(xiàn)量子中繼的核心元件就是量子儲(chǔ)存器，它被用于存儲(chǔ)光子糾纏態(tài)，待相鄰儲(chǔ)存器糾纏成功后，再執(zhí)行下一步糾纏交換。此前，研究者已在冷原子二氧化碳和單量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子儲(chǔ)存器。發(fā)射型儲(chǔ)存器的糾纏光子是由儲(chǔ)存器直接發(fā)射下來的，其結(jié)構(gòu)簡潔，但兼容性較差，無法同時(shí)滿足確定性量子光源及多模式復(fù)用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通訊加速技術(shù)。
李傳鋒、周宗權(quán)研究組常年從事基于稀土參雜晶體的吸收型量子儲(chǔ)存器的研究。在基于吸收型量子儲(chǔ)存器的量子中繼構(gòu)架中，量子光源是與量子儲(chǔ)存器相獨(dú)立的，所以這些構(gòu)架可以同時(shí)兼容確定性量子光源以及多模式復(fù)用，是目前理論上傳輸速度最快的量子中繼方案。
經(jīng)過兩年多的不懈努力量子傳輸速率，該研究團(tuán)隊(duì)成功使用吸收型量子儲(chǔ)存器演示了量子中繼的基本鏈路。一個(gè)基本鏈路由兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)，以及中間站點(diǎn)貝爾態(tài)檢測裝置組成。每位量子節(jié)點(diǎn)中不僅“牛郎”“織女”量子儲(chǔ)存器之外，還各有一個(gè)糾纏光子對。實(shí)驗(yàn)中，每位糾纏光子對中的一個(gè)光子被量子儲(chǔ)存器捕獲并儲(chǔ)存，每位糾纏光子對的另一個(gè)光子通過光纖同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)“鵲橋”進(jìn)行貝爾態(tài)檢測，檢測的過程就是糾纏構(gòu)建的過程。因而，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒碰面的情況下成功構(gòu)建糾纏。實(shí)驗(yàn)成功演示了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，獲得了4倍加速的糾纏分發(fā)速度，驗(yàn)證了通過貝爾態(tài)檢測預(yù)報(bào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度超過80%。
該研究團(tuán)隊(duì)表示，借助吸收型量子儲(chǔ)存器有望在未來實(shí)現(xiàn)高效率的量子中繼和量子網(wǎng)路，進(jìn)一步促進(jìn)量子世界里“牛郎與織女”的順利通訊。下一步，研究組將繼續(xù)增強(qiáng)量子儲(chǔ)存器的各項(xiàng)指標(biāo)，并采用確定性糾纏光源，因而急劇增強(qiáng)糾纏分發(fā)的速度量子傳輸速率，努力實(shí)現(xiàn)趕超光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器。