Science |第8篇正刊！中科大郭光灿团队首次实现多模式量子中继

TOP前言

“TOP大学来了”小编按，6月2日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组在全球顶级科研期刊《Nature》杂志发表了题为“Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories”的文章，研究团队首次实现多模式复用的量子中继基本链路，展现了多模式复用的量子通信加速效果，并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。“TOP数据库”显示，这是中国科学技术大学2021年度第8篇正刊。

“TOP大学来了”小编按，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组首次实现多模式复用的量子中继基本链路，展现了多模式复用的量子通信加速效果，并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。6月2日23点《自然》期刊发表了该成果。（点击阅读：

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。

图1 基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图

国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。理论研究表明，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决这一问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。

李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。在本实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。

图2 实验装置图

该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网络的构建打下基础。审稿人对该工作给予了高度评价：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（这个实验采用系综存储器，在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用）”；“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（这个实验是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示，……这是一项重要的成就，将为接下来的研究奠定基础）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就）”。

审核、编辑：大可

版权声明：本文综合自Nature、中国科学技术大学，版权归原作者所有，文章转摘只为学术传播，如涉及侵权问题，请联系我们，我们将及时修改或删除。