我國科學家首次實現多模式量子中繼

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組首次實現多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式復用的量子通信加速效果，并實現兩個固態存儲器的量子糾纏，為高速率、大尺度量子網絡建設提供了全新方案。該成果6月2日在線發表于《自然》。審稿人認為，這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就。

遠程量子糾纏傳輸，是構建全球量子通信網絡的核心任務。然而，受限于光子數在光纖中的指數衰減，地面直接傳輸距離被限制在百公里水平。為此，科學家提出量子中繼的思想，即將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

量子存儲器是量子中繼的核心器件，用于儲存光子糾纏態，待相鄰存儲器糾纏成功后，再執行下一步糾纏交換。此前，研究者已在冷原子氣體和單量子系統中實現量子中繼的基本鏈路，但均采用發射型量子存儲器。發射型存儲器結構簡潔，但兼容性較差，難以同時滿足發射效率逼近100%的確定性量子光源和并行使用不同時間或頻率的多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。

李傳鋒、周宗權研究組長期從事基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲器的研究。他們提出的基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構，量子光源與量子存儲器相對獨立，可以同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

該課題組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和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并存儲，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。他們成功演示了4個時間模式的并行復用，使得糾纏分發的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到80.4%。

周宗權認為，利用吸收型量子存儲器，有望在未來實現高效率的量子中繼和量子網絡，推動量子世界里“牛郎與織女”的通信。“我們將努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。”李傳鋒表示。

（來源：中國科學報）