量子中继多模式实现 为接下来的研究奠定基础

2021-06-22 15:22:26

记者从中国科学技术大学获悉,该校郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组首次实现多模式复用的量子中继基本链路,展现了多模式复用的量子通信加速效果,并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。6月2日《自然》期刊发表了该成果。

远程量子纠缠传输是构建全球量子通信网络的核心任务。然而,受限于光子数在光纤中的指数衰减,地面直接传输距离被限制在百公里水平。通过光纤向距离1000公里外的地方每秒发射100亿个光子,要花300年才能接收到一个光子。为此科学家们提出量子中继的思想,即将远距离传输划分为若干短距离基本链路,先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠,然后通过纠缠交换技术进行级联,从而逐步扩大量子纠缠的距离。

量子存储器是量子中继的核心器件,用于储存光子纠缠态,待相邻存储器纠缠成功后,再执行下一步纠缠交换。在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中,量子光源是与量子存储器相独立的,所以这种架构可以同时兼容确定性量子光源以及多模式复用,是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。

经过三年多的不懈努力,课题组成功使用吸收型量子存储器演示了量子中继的基本链路。一个基本链路由两个分离的量子节点,以及中间站点贝尔态测量装置组成。每个量子节点中除了“牛郎”“织女”量子存储器之外,还各有一个纠缠光子对。实验中,每个纠缠光子对中的一个光子被量子存储器捕获并存储,每个纠缠光子对的另一个光子通过光纤同时传输至中间站点“鹊桥”进行贝尔态测量,测量的过程就是纠缠建立的过程。因此,“牛郎”和“织女”借助“鹊桥”可以在没见面的情况下成功建立纠缠。

审稿人对该工作给予了高度评价:“这个工作是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示……这是一项重要的成就,将为接下来的研究奠定基础。”

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