?

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)和量子中繼領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組利用固態(tài)量子存儲(chǔ)器和外置糾纏光源，首次實(shí)現(xiàn)兩個(gè)吸收型量子存儲(chǔ)器之間的可預(yù)報(bào)量子糾纏，演示了多模式量子中繼。該成果6月2日23點(diǎn)在線發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

圖1 基于吸收型量子存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)量子中繼的原理示意圖

由于單光子在光纖傳輸中的指數(shù)級(jí)損耗問題，量子態(tài)在光纖中傳輸?shù)木嚯x被限制在百公里量級(jí)。為了建立起全國乃至全球的量子網(wǎng)絡(luò)，需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，在基本鏈路上建立量子存儲(chǔ)器之間的可預(yù)報(bào)糾纏，然后利用糾纏交換技術(shù)把量子糾纏擴(kuò)展至目標(biāo)距離。

國際上已有的量子中繼基本鏈路均基于發(fā)射型量子存儲(chǔ)器構(gòu)建，其糾纏光子是由存儲(chǔ)器本身發(fā)射出來的。這種架構(gòu)難以同時(shí)支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用存儲(chǔ)，從根本上限制了糾纏分發(fā)的速率。理論研究表明，基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)可以解決這一問題。這一架構(gòu)把量子存儲(chǔ)器和量子光源分離開來，故能同時(shí)兼容確定性光子源和多模式復(fù)用，是目前理論上通信速率最優(yōu)的量子中繼方案。

李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器的研究，近十年不斷提升固態(tài)量子存儲(chǔ)的性能指標(biāo)以滿足量子中繼的技術(shù)需求，包括使存儲(chǔ)保真度達(dá)99.9%、模式數(shù)達(dá)100個(gè)、光存儲(chǔ)壽命達(dá)1小時(shí)等。在本實(shí)驗(yàn)中，研究組基于參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨(dú)創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)量子存儲(chǔ)器。每對(duì)糾纏光子中的一個(gè)光子被三明治型量子存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)，而每對(duì)糾纏光子中的另一個(gè)光子被同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)進(jìn)行貝爾態(tài)檢驗(yàn)。一次成功的貝爾態(tài)檢驗(yàn)會(huì)完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個(gè)空間分離3.5米的固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間建立起量子糾纏，盡管這兩個(gè)存儲(chǔ)器沒有發(fā)生任何直接的相互作用。量子中繼基本鏈路的演示實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了4個(gè)時(shí)間模式的復(fù)用，使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實(shí)測的糾纏保真度達(dá)到了80.4%。該工作證實(shí)了基于吸收型量子存儲(chǔ)構(gòu)建量子中繼的可行性，并首次展現(xiàn)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(gè)可行的方向，為實(shí)用化高速量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)。審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用系綜存儲(chǔ)器，在量子中繼應(yīng)用中具有一系列的優(yōu)勢，比如多模式復(fù)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（這個(gè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)量子中繼器基本鏈路的一個(gè)非常直接和清晰的演示，……這是一項(xiàng)重要的成就，將為接下來的研究奠定基礎(chǔ)）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（這是在地面上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重大成就）”。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

論文鏈接：?https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）