近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在量子存儲和量子中繼領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。科研團(tuán)隊利用固態(tài)量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現(xiàn)兩個吸收型量子存儲器之間的可預(yù)報量子糾纏，演示了多模式量子中繼，為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了全新的實現(xiàn)方案。

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(kuò)展至目標(biāo)距離。

實驗裝置

經(jīng)過多年攻關(guān)，科研團(tuán)隊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(jìn)行貝爾態(tài)測量，測量的過程就是糾纏建立的過程。

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(dá)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。

據(jù)介紹，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)。