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中國科大首次演示多模式量子中繼并實現(xiàn)兩個固態(tài)存儲器的量子糾纏  圖1.基于吸收型量子存儲器實現(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。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器之間的可預(yù)報糾纏，然后利用糾纏交換技術(shù)把量子糾纏擴展至目標距離。 國際上已有的量子中繼基本鏈路均基于發(fā)射型量子存儲器構(gòu)建，其糾纏光子是由存儲器本身發(fā)射出來的。這種架構(gòu)難以同時支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用存儲，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)把量子存儲器和量子光源分離開來，故能同時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)量子存儲器的研究，近十年不斷提升固態(tài)量子存儲的性能指標以滿足量子中繼的技術(shù)需求，包括使存儲保真度達99.9%、模式數(shù)達100個、光存儲壽命達1小時等。在本實驗中，研究組基于參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)量子存儲器。每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子存儲器所存儲，而每對糾纏光子中的另一個光子被同時傳輸至中間站點進行貝爾態(tài)檢驗。一次成功的貝爾態(tài)檢驗會完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個空間分離3.5米的固態(tài)量子存儲器之間建立起量子糾纏，盡管這兩個存儲器沒有發(fā)生任何直接的相互作用。量子中繼基本鏈路的演示實驗中實現(xiàn)了4個時間模式的復(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了80.4%。該工作證實了基于吸收型量子存儲構(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。  圖2.實驗裝置圖 該成果為量子中繼的發(fā)展研究開創(chuàng)了一個可行的方向，為實用化高速量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建打下基礎(chǔ)。審稿人對該工作給予了高度評價：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（這個實驗采用系綜存儲器，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（這個實驗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(chǔ)）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（這是在地面上實現(xiàn)遠距離量子網(wǎng)絡(luò)的一項重大成就）”。 中科院量子信息重點實驗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)新促進會的資助。 論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3 |
