清华大学突破纪录:首次实现25个量子接口间量子纠缠

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4 月 20 日,清华大学交叉信息研究院段路明教授研究组在《科学》期刊子刊《科学·进展》(Science Advances)上发表了题为“25 个可独立操控的量子接口之间纠缠的实验实现”(“Experimental entanglement of 25 individually accessible atomic quantum interfaces”的研究论文。该项研究首次实现了 25 个量子接口之间的量子纠缠,相比于先前加州理工学院研究组保持的 4 个量子接口之间纠缠的世界纪录在接口数量上提高了约 6 倍。

二维原子系综量子接口阵列之间产生和验证量子纠缠的实验装置图

量子接口(Quantum interfaces)用于实现量子信息在光子和存储粒子(通常为原子)之间的相干转化,是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。类似于广泛应用经典接口,量子接口是量子信息领域的基本元器件,实现量子接口之间的纠缠是构建量子网络和未来量子互联网的一个基本要求。在量子信息科学中,光子拥有最快的传输速度,是传播量子信息的最佳载体,而原子拥有很长的量子相干时间,被广泛用于量子信息的存储。量子接口将光子和存储原子连接起来,实现量子信息在不同载体间的高效相互转换。

25 个原子系综量子接口阵列中量子纠缠的验证

2001 年,段路明与合作者提出著名的 DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中继方案,建议用原子系综作为光子与存储器之间的量子接口。得益于众多原子和光模式之间的集体增强效应,基于原子系综的 DLCZ 方案是量子接口的一个理想选择,在量子信息领域影响很大,国际上多个研究组致力于实现 DLCZ 型量子接口及其相互间的量子纠缠。加州理工学院的著名量子信息和量子光学专家金布尔 (Kimble)研究组曾于 2010 年实现了 4 个 DLCZ 型量子接口之间的纠缠,代表此前的国际最高水平。

为了实现更多量子接口间的纠缠,构造更大的量子纠缠网络,段路明研究组研发了新颖的二维量子接口阵列,解决了相关技术问题,可以方便地实现多个量子接口间的纠缠。研究人员通过光束复分技术,独立寻址并相干调控5×5 的量子接口阵列,制备了多体量子纠缠态。在 25 个量子接口之间,实验利用纠缠判据以高置信度证明至少存在 22 体以上的真实纠缠,刷新了量子接口纠缠数量的世界记录。

《科学·进展》审稿人对该工作给予很高的评价,认为:“这是一个创纪录的纠缠个数,也是构建第一个量子网络过程中的一个重要的里程碑。”

论文第一作者为清华大学交叉信息研究院博士研究生濮云飞,通讯作者为段路明教授,其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蒋楠、常炜、李畅,张胜以及美国密西根大学博士研究生吴宇恺。项目得到教育部、科技部以及清华大学的经费支持。

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