中科大再登Nature封面，郭光灿团队首次实现多模式量子中继

机器之心报道

编辑：蛋酱、陈萍

来自中国的研究团队，又一次在量子技术领域取得了重大进展。

当两个量子产生纠缠，一个变了，另一个也会瞬变，无论相隔多远，借助量子纠缠可实现量子通信。近期，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。

北京时间 6 月 2 日晚，该研究成果登上国际著名学术期刊《Nature》新一期封面。

这是量子存储和量子中继领域的重大进展。中科院量子信息重点实验室的博士后刘肖和博士研究生胡军为该论文的共同第一作者。

《Nature》杂志审稿人对该工作给予高度评价：「这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就。」

论文地址：https://www.nature.com/nature/volumes/594/issues/7861

远程量子纠缠传输，是构建全球量子通信网络的核心任务。但由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。因此，量子网络的建设需要采用量子中继方案，其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。

在中国古代神话中，牛郎织女一年才得一会。中科大科研团队以此描绘远程量子纠缠传输难题：「通过光纤向距离一千公里外的地方每秒发射一百亿个光子，要花三百年才能接收到一个光子。」

基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图 。

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。此前，国际上的研究者已在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路，但均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。

中国科学技术大学的李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究。他们发现，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决上述问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。

论文共同通讯作者李传锋和周宗权在检视量子存储器。

在这项研究实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的「三明治」结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点「鹊桥」进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离 3.5 米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。

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量子中继基本链路的演示实验中实现了 4 个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了 4 倍，实测的纠缠保真度达到了 80.4%。

这一成果证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用，为实用化高速量子网络的构建打下坚实基础。

图 2: 实验装置。

周宗权副教授表示：「利用吸收型量子存储器有望在未来实现高效率的量子中继和量子网络，进一步推动量子世界里『牛郎与织女』的顺利通信。」

李传锋教授表示：「下一步，研究组将继续提高量子存储器的各项指标，并采用确定性纠缠光源，从而大幅提高纠缠分发的速率，努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。」

参考链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/75308.htm

https://mp.weixin.qq.com/s/VV-mMVy0x6xvvqZe8wjK0g

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