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中国科大首次实现两个固态存储器间的量子纠缠 为实用化高速量子网络打下基础

C114中国通信网    2021-06-03 19:28

C114讯 6月3日消息(余予)来自中国科大的消息显示,中国科大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,在量子存储和量子中继领域取得重大进展。

据了解,远程量子纠缠传输是构建全球量子通信网络的核心任务,然而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。

为建立起全国乃至全球的量子网络,科学家们提出了量子中继方案,即将远程纠缠传输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。

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。国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建,该架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储,其从根本上限制了纠缠分发的速率。

科学家通过理论研究表明,基于吸收型量子存储器的量子中继架构可将量子存储器和量子光源分离开来,从而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。

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。实验过程中,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,即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进行贝尔态检验。

据介绍,此次演示实验中实现了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%。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性,并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。

中国科大首次实现两个固态存储器间的量子纠缠 为实用化高速量子网络打下基础

图1 基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图(来源:中国科大新闻网)

该成果于6月2日在国际著名学术期刊《自然》上发表。该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向,为实用化高速量子网络的构建打下基础。审稿人给予了高度评价:

·这个实验采用系综存储器,在量子中继应用中具有一系列的优势,比如多模式复用;

·这个实验是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示,……这是一项重要的成就,将为接下来的研究奠定基础;

·这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就。

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。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

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