中國科學技術大學潘建偉、包小輝、張強等與濟南量子技術研究院和中科院上海微系統與信息技術研究所合作，在量子中繼與量子網絡方向取得重大突破。他們通過發展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉換技術和遠程單光子精密干涉技術，成功地將相距50公里光纖的兩個量子存儲器糾纏起來，為構建基於量子中繼的量子網絡奠定了基礎。該成果於近日發表在國際權威學術期刊《自然》上。
構建全球化量子網絡並在此基礎上實現量子通信是量子信息研究的終極目標之一，國際學術界廣泛採用的量子通信網絡發展路線是通過基於衛星的自由空間信道來實現廣域大尺度覆蓋，通過光纖網絡來實現城域及城際的地面覆蓋。然而受限於光信號在光纖內的指數衰減，最遠的點對點地面安全通信距離僅為百公里量級。將遠距離點對點傳輸改為分段傳輸，並採用量子中繼技術進行級聯，有望進一步大幅拓展安全通信距離，並使得構建全量子網絡成為可能。
然而，受限於光與原子糾纏亮度低、原子存儲器波長與通信光纖不匹配和遠程單光子干涉等技術瓶頸，此前最遠光纖量子中繼僅為公里量級。針對上述技術難題，團隊主要在三方面開展了技術攻關：首先，採用環形腔增強技術來提升單光子與原子系綜間耦合，並優化光路傳輸效率，將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數量級；其次，由於原子存儲器對應的光波長在光纖中的損耗約為3.5dB/km，在50公里光纖中光信號將衰減至十億億分之一（10^-17.5），使得量子通信無法實現，團隊自主研發週期極化鈮酸鋰波導，通過非線性差頻過程，將存儲器的光波長由近紅外（795 nm）轉換至通信波段（1342 nm），經過50公里的光纖僅衰減至百分之一以上，效率相比之前提升了16個數量級；最後，為實現遠程單光子干涉，團隊設計並實施了雙重相位鎖定方案，成功地把經過50公里光纖的傳輸後引起的光程差控制在50nm左右。
實驗方案示意圖
研究團隊將以上技術相結合，最終實現了經由50公里光纖傳輸的雙節點糾纏，並演示了經由22公里外場光纖的雙節點糾纏。該工作得到《自然》審稿人的高度評價“該結果是非常傑出的，向實現量子中繼方向邁出了重要一步（these are certainly outstanding results, and steps forward for the work that needs to be carried out to implement quantum repeaters）”，“將這些操作拓展至城域距離是本領域的一個重大進展（bringing the operation of these systems to metropolitan distances is a major advance on the field）”。當前實驗中兩臺量子存儲器位於同一間實驗室內，團隊接下來將通過發展獨立激光的相位同步等技術來實現真正遠距離分開的雙節點實驗。上述工作與該團隊之前實現的多節點糾纏技術（Nature Photonics, 13, 210, 2019），基於裡德堡的確定性糾纏技術（Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019），以及百毫秒存儲技術（Nature Photonics. 10, 381, 2016）等相結合，將極大地推動量子中繼和全量子網絡的實驗研究。
該工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院和安徽省等單位的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1976-7
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