近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子存儲和量子中繼領域取得重大進展。科研團隊利用固態量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現兩個吸收型量子存儲器之間的可預報量子糾纏，演示了多模式量子中繼，為高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。該成果6月2日在國際學術期刊《自然》發表。
由於單光子在光纖傳輸中的指數級損耗問題，量子態在光纖中傳輸的距離被限制在百公里量級。為了建立起全國乃至全球的量子網絡，需要採用量子中繼方案。其基本思路是把長程糾纏傳輸的任務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報糾纏，然後利用糾纏交換技術把量子糾纏擴展至目標距離。
△基於吸收型量子存儲器實現量子中繼的原理示意圖
△實驗裝置
經過多年攻關，科研團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點，以及中間站點貝爾態測量裝置組成。每個量子節點中除了“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並存儲，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”進行貝爾態測量，測量的過程就是糾纏建立的過程。
一次成功的貝爾態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米的固態量子存儲器之間建立起量子糾纏，儘管這兩個存儲器沒有發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了4個時間模式的復用，使得糾纏分發的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到了80.4%。該工作證實了基於吸收型量子存儲構建量子中繼的可行性，並首次展現了多模式復用在量子中繼中的加速作用。
據介紹，該成果為量子中繼的發展研究開創了一個可行的方向，為實用化高速量子網絡的構建打下基礎。