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首次实现多模式量子中继

2021-12-16

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗,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。

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。

中国科大郭光灿院士团队李传锋、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,近十年不断提升吸收型量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求。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[Phys. Rev. Lett. 108. 190505 (2012)]制备了两套固态量子存储器(图1)。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%。

图1. 基于吸收型量子存储器实现量子中继的装置示意图。

该成果实现了一种新型的量子中继架构,即基于吸收型存储器的多模式量子中继,并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。这为后续的量子中继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。目前团队正在开发与硅基器件结合的量子存储技术,未来有望进一步实现可集成的量子网络。该成果于2021年6月2日以“Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories”为题发表在Nature上,并被选为当期封面故事文章,封面故事的标题为“量子连接(quantum connections)”(图2)。

图2. 入选当期Nature的封面故事。

论文发表后,PhysicsWorld、ScienMag、Nature Asia等多家媒体发表专题报道。其中,PhysicsWorld以“New quantum repeaters could enable a scalable quantum internet(新型量子中继支持可扩展量子网络的实现)”为标题头条报道该成果。量子网络领域的国际领军学者、荷兰代尔夫特理工大学的Ronald Hanson教授接受采访时,高度评价该工作:“These results can be considered an important achievement in the specific context of building quantum repeaters, towards improved transmission of quantum communication over long distances. For solid-state ensemble-based memories, these push the state of the art significantly. (这些结果是量子中继和远程量子通信领域的一项重要成就。它显著地推动了系综固态量子存储器的技术水平。)”。Science China Information Sciences期刊发表题为“A multiplexed quantum repeater based on absorptive quantum memories”的News and Views介绍该成果。《物理》杂志发表研究快讯介绍该成果,并以“封面故事”报道了该成果(50卷第8期)。

该工作由中国科大固态量子存储研究团队完成,论文共同第一作者为博士后刘肖和研究生胡军,周宗权和李传锋为论文共同通讯作者。该项研究得到科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3



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