▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

近日，電子科技大學(xué)郭光燦院士團隊周強研究組與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊合作，在電子科技大學(xué)“銀杏一號”城域量子互聯(lián)網(wǎng)方面取得重大進展（見圖1）。研究團隊合作研制出高重頻量子光源、自動化光子全同測控裝置、高性能超導(dǎo)納米線單光子探測器，突破了量子信息載源、量子信道建立、量子信息檢測等技術(shù)難題，首次完成“赫茲速率”的城域量子隱形傳態(tài)。該研究成果對發(fā)展基于量子糾纏的新一代信息技術(shù)具有重要作用。

圖1：“銀杏一號”城域量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)場地鳥瞰圖和設(shè)計概念圖

該文章發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Hertz-rate metropolitan quantum teleportation”。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、四川省重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委以及合肥國家實驗室的大力支持。電子科技大學(xué)博士研究生沈思為本文的第一作者，周強教授為本文的通訊作者。

量子信息技術(shù)借助量子物理資源，可以為人們提供超越經(jīng)典物理的信息獲取、傳輸和處理技術(shù)，其最終的發(fā)展目標是建立量子互聯(lián)網(wǎng)，或量子網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵任務(wù)之一便是在不同量子節(jié)點間完成量子信息的傳遞。借助于量子糾纏資源，在量子投影測量和經(jīng)典通信的輔助下，量子隱形傳態(tài)可將未知量子信息進行“離物傳遞”。自20世紀90年代量子隱形傳態(tài)協(xié)議被提出以來，研究人員在不同物理體系中開展了大量的理論和實驗研究。

其中，基于量子光學(xué)方案的量子隱形傳態(tài)為量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建提供了一種重要的方案，包括連續(xù)變量（CV）與離散變量（DV）兩個量子物理體系。面向全球范圍的量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，DV體系的量子隱形傳態(tài)有望將量子信息傳遞距離延伸到數(shù)千公里。目前，基于DV體系，科學(xué)家們已經(jīng)在不同光子自由度上完成了從室內(nèi)到外場的量子隱形傳態(tài)。比如基于“墨子號”衛(wèi)星，上千公里的量子隱形傳態(tài)已經(jīng)得到實驗驗證。在這些令人矚目的工作基礎(chǔ)上，本文首次報道了傳態(tài)速率達到赫茲量級的高速城域量子隱形傳態(tài)，為推進量子互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，具有至關(guān)重要的作用。

本論文工作建成的“銀杏一號”城域量子互聯(lián)網(wǎng)，使用誘騙態(tài)時間片量子比特對待傳遞的量子信息進行編碼，在突破如下關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，首次將城域量子隱形傳態(tài)的速率提升至赫茲量級。

（1）高重頻量子糾纏光源：研究團隊研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子糾纏光源，使用單個尾纖耦合周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)模塊，實現(xiàn)了500 MHz重頻觸發(fā)的高質(zhì)量量子糾纏光源。

（2）自動化光子全同測控裝置：為了保障量子隱形傳態(tài)的成功，提高貝爾態(tài)投影測量效率，需確保來自Alice和Bob的光子在長距離光纖傳輸后保持全同。研究團隊自主研發(fā)出自動化光子全同測控裝置，通過對量子信道中的光子偏振及時延信息進行實時感知，實現(xiàn)了快速響應(yīng)的光纖信道光子全同穩(wěn)定測控技術(shù)。

（3）高性能超導(dǎo)納米線單光子探測器：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊為實驗系統(tǒng)提供了高探測效率、低暗計數(shù)、低時間抖動的高性能超導(dǎo)納米線單光子探測器，用于高效率貝爾態(tài)投影測量和光量子態(tài)檢測過程。

進一步地，研究團隊分別使用量子態(tài)層析及誘騙態(tài)方法（見圖2）獲得隱形傳態(tài)的保真度均大于經(jīng)典極限（66.7%），并通過三重符合測量得到量子態(tài)傳遞速率，證實了高速城域量子隱形傳態(tài)得以實驗實現(xiàn)。

圖2：典型量子態(tài)傳遞保真度結(jié)果

通過建設(shè)“銀杏一號”城域量子互聯(lián)網(wǎng)，研究團隊實現(xiàn)了傳態(tài)速率達到赫茲量級的高速城域量子隱形傳態(tài)。結(jié)合集成量子光源、量子存儲中繼、量子信息節(jié)點等核心器件，未來有望研制出“高速率、高保真、多用戶、長距離”的量子互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，進一步推進量子互聯(lián)網(wǎng)邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

| 論文信息 |

Shen, S., Yuan, C., Zhang, Z. et al. Hertz-rate metropolitan quantum teleportation. Light Sci Appl 12, 115 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01158-7

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