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來(lái)源: 澎湃新聞 中國科學(xué)家首次實(shí)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(shí)現了兩個(gè)固態(tài)存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò )的建設提供了全新的實(shí)現方案。 該研究由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組完成，其成果于北京時(shí)間6月2日23:00在《自然》期刊以封面論文形式發(fā)表。 遠程量子糾纏傳輸是構建大尺度量子通信網(wǎng)絡(luò )的一項基本任務(wù)。而光子作為量子通信信道中的最佳載體，容易被光纖吸收或散射而呈指數衰減。比如，通過(guò)光纖向距離1000公里外的地方每秒發(fā)射100億個(gè)光子，300年才能接收到1個(gè)光子。就是說(shuō)，光子通過(guò)光纖的直接傳輸距離被限制在數百公里。 為此，科學(xué)家提出量子中繼以實(shí)現遠程量子糾纏傳輸。這是指，將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個(gè)臨近節點(diǎn)間建立可預報的量子糾纏，然后通過(guò)糾纏交換技術(shù)進(jìn)行級聯(lián)，從而逐步擴大量子糾纏的距離。 量子中繼的核心在于量子儲存器，即將光子儲存起來(lái)而不改變其量子態(tài)。等到相鄰存儲器糾纏成功后，再執行下一步糾纏交換。 實(shí)際上，由于量子態(tài)的脆弱性，量子的存儲和讀取過(guò)程中不改變量子態(tài)十分困難。 到目前為止，已經(jīng)在冷原子氣體和單量子系統中實(shí)現量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子存儲器。發(fā)射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發(fā)射出來(lái)的，其結構簡(jiǎn)潔，但兼容性較差，難以同時(shí)滿(mǎn)足確定性量子光源及多模式復用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發(fā)射效率可以逼近100%。多模式復用與經(jīng)典光通信中的復用技術(shù)原理類(lèi)似，即并行使用不同的時(shí)間或頻率模式的光子來(lái)加快通信的速率。 使用吸收性量子存儲器可以克服這些問(wèn)題。在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源與量子存儲器相獨立，所以這種架構可以同時(shí)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。 一個(gè)基本鏈路由兩個(gè)分離的量子節點(diǎn)，以及中間站點(diǎn)貝爾態(tài)測量裝置組成。每個(gè)量子節點(diǎn)中除了“牛郎”、“織女”、量子存儲器之外，還各有一個(gè)糾纏光子對。 實(shí)驗中，每個(gè)糾纏光子對中的一個(gè)光子被量子存儲器捕獲并存儲，每個(gè)糾纏光子對的另一個(gè)光子通過(guò)光纖同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)“鵲橋”進(jìn)行貝爾態(tài)測量，通過(guò)測量建立糾纏。 因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒(méi)見(jiàn)面的情況下成功建立糾纏。論文共同第一作者劉肖及胡軍說(shuō)：“我們成功演示了4個(gè)時(shí)間模式的并行復用，獲得了4倍加速的糾纏分發(fā)速率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，通過(guò)貝爾態(tài)測量預報兩個(gè)節點(diǎn)之間的糾纏保真度超過(guò)80%�！� 李傳鋒教授表示：“下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實(shí)現超越光纖直接傳輸的實(shí)用化量子中繼器�！� |
