近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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。科研團(tuán)隊(duì)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，為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了全新的實(shí)現(xiàn)方案。該成果6月2日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
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(wèn)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(guó)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(zhǎng)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。
經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)成功使用吸收型量子存儲(chǔ)器演示了量子中繼的基本鏈路。一個(gè)基本鏈路由兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)，以及中間站點(diǎn)貝爾態(tài)測(cè)量裝置組成。每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)中除了“牛郎”“織女”量子存儲(chǔ)器之外，還各有一個(gè)糾纏光子對(duì)。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子被量子存儲(chǔ)器捕獲并存儲(chǔ)，每個(gè)糾纏光子對(duì)的另一個(gè)光子通過(guò)光纖同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)“鵲橋”進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，測(cè)量的過(guò)程就是糾纏建立的過(guò)程。
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(méi)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(cè)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。
據(jù)介紹，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)。
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