中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復(fù)用的量子通信加速效果，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏。該工作為高速率、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。

該研究由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組完成，其成果于北京時(shí)間6月2日23:00在《自然》期刊以封面論文形式發(fā)表。

遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸是構(gòu)建大尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本任務(wù)。而光子作為量子通信信道中的最佳載體，容易被光纖吸收或散射而呈指數(shù)衰減。比如，通過光纖向距離1000公里外的地方每秒發(fā)射100億個(gè)光子，300年才能接收到1個(gè)光子。就是說，光子通過光纖的直接傳輸距離被限制在數(shù)百公里。

為此，科學(xué)家提出量子中繼以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸。這是指，將遠(yuǎn)距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)間建立可預(yù)報(bào)的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。

量子中繼的核心在于量子儲(chǔ)存器，即將光子儲(chǔ)存起來(lái)而不改變其量子態(tài)。等到相鄰存儲(chǔ)器糾纏成功后，再執(zhí)行下一步糾纏交換。

實(shí)際上，由于量子態(tài)的脆弱性，量子的存儲(chǔ)和讀取過程中不改變量子態(tài)十分困難。

到目前為止，已經(jīng)在冷原子氣體和單量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子存儲(chǔ)器。發(fā)射型存儲(chǔ)器的糾纏光子是由存儲(chǔ)器直接發(fā)射出來(lái)的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但兼容性較差，難以同時(shí)滿足確定性量子光源及多模式復(fù)用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發(fā)射效率可以逼近100%。多模式復(fù)用與經(jīng)典光通信中的復(fù)用技術(shù)原理類似，即并行使用不同的時(shí)間或頻率模式的光子來(lái)加快通信的速率。

使用吸收性量子存儲(chǔ)器可以克服這些問題。在基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)中，量子光源與量子存儲(chǔ)器相獨(dú)立，所以這種架構(gòu)可以同時(shí)兼容確定性量子光源以及多模式復(fù)用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

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，通過測(cè)量建立糾纏。

因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒見面的情況下成功建立糾纏。論文共同第一作者劉肖及胡軍說：“我們成功演示了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，獲得了4倍加速的糾纏分發(fā)速率，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過貝爾態(tài)測(cè)量預(yù)報(bào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度超過80%?！?/p>

李傳鋒教授表示：“下一步，研究組將繼續(xù)提高量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)指標(biāo)，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實(shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器?！?/p>