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基于吸收型量子存儲器實現(xiàn)量子中繼的原理示意圖。王國燕、馬燕兵制圖
本報訊?中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組首次實現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復(fù)用的量子通信加速效果，并實現(xiàn)兩個固態(tài)存儲器的量子糾纏，為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了全新方案。該成果6月2日在線發(fā)表于《自然》。審稿人認(rèn)為，這是在地面上實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的一項重大成就。
遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸是構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心任務(wù)。然而，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。為此，科學(xué)家提出量子中繼的思想，即將遠(yuǎn)距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，從而逐步擴大量子糾纏的距離。
量子存儲器是量子中繼的核心器件，用于儲存光子糾纏態(tài)，待相鄰存儲器糾纏成功后，再執(zhí)行下一步糾纏交換。此前，研究者已在冷原子氣體和單量子系統(tǒng)中實現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子存儲器。發(fā)射型存儲器結(jié)構(gòu)簡潔，但兼容性較差，難以同時兼容發(fā)射效率逼近100%的確定性量子光源和并行使用不同時間或頻率的多模式復(fù)用這兩個量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。
李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期從事基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲器的研究。他們提出的基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構(gòu)，量子光源與量子存儲器相對獨立，可以同時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率最快的量子中繼方案。
該課題組成功使用吸收型量子存儲器，演示了量子中繼的基本鏈路。一個基本鏈路由兩個分離的量子節(jié)點和中間站點貝爾態(tài)測量裝置組成。每個量子節(jié)點中除了“牛郎”“織女”量子存儲器之外，還各有一個糾纏光子對。實驗中，每個糾纏光子對中的一個光子被量子存儲器捕獲并存儲，另一個光子通過光纖同時傳輸至中間站點“鵲橋”進行貝爾態(tài)測量，測量的過程就是糾纏建立的過程。他們成功演示了4個時間模式的并行復(fù)用，使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到80.4%。
周宗權(quán)認(rèn)為，利用吸收型量子存儲器，有望在未來實現(xiàn)高效率的量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)，推動量子世界里“牛郎與織女”的通信。“我們將努力實現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶嵱没孔又欣^器?！崩顐麂h表示。（桂運安）
相關(guān)論文信息：
https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03505-3
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