中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組首次實現(xiàn)多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復用的量子通信加速效果，并實現(xiàn)了兩個固態(tài)存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡的建設提供了全新的實現(xiàn)方案。6月2日23點《自然》期刊發(fā)表了該成果。

遠程量子糾纏傳輸是構建全球量子通信網(wǎng)絡的核心任務。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。牛郎織女尚可一年一會，通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發(fā)射一百億個光子，要花三百年才能接收到一個光子。為此科學家們提出量子中繼的思想，即將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個臨近節(jié)點間建立可預報的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術進行級聯(lián)，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)射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發(fā)射出來的，其結構簡潔，但兼容性較差，難以同時滿足確定性量子光源及多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發(fā)射效率可以逼近100%。多模式復用與經(jīng)典光通信中的復用技術原理類似，即并行使用不同的時間或頻率模式的光子來加快通信的速率。

李傳鋒、周宗權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。在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源是與量子存儲器相獨立的，所以這種架構可以同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

經(jīng)過三年多的不懈努力，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，以及中間站點貝爾態(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，每個糾纏光子對的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。因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒見面的情況下成功建立糾纏。論文共同第一作者劉肖及胡軍說：“我們成功演示了4個時間模式的并行復用，獲得了4倍加速的糾纏分發(fā)速率，經(jīng)過實驗驗證，通過貝爾態(tài)測量預報兩個節(jié)點之間的糾纏保真度超過80%。”

周宗權副教授表示：“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，進一步推動量子世界里‘牛郎與織女’的順利通信。”

審稿人對該工作給予了高度評價：“這個工作是對量子中繼器基本鏈路的一個非常直接和清晰的演示……這是一項重要的成就，將為接下來的研究奠定基礎?！?“這個實驗在量子中繼應用中具有一系列的優(yōu)勢，比如多模式復用?！?/p>

李傳鋒教授展望：“下一步，研究組將繼續(xù)提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶嵱没孔又欣^器?！?/p>

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03505-3