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中(zhong)国科大(da)首次(ci)演示(shi)多模式量子中(zhong)继(ji)并实现两个固态存储器的量子纠缠
来源:科研部 发布时间:2020-06-04 浏览次数:11

我校郭光灿院士(shi)团队在量子存储(chu)(chu)和量子中继领域取(qu)得重大进展。该(gai)(gai)团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储(chu)(chu)器和外置(zhi)纠缠(chan)光源,首次(ci)实现两(liang)个(ge)吸收型量子存储(chu)(chu)器之间的可预报量子纠缠(chan),演示了多模式量子中继。该(gai)(gai)成果6月2日23点在线发表在国际著名学术期刊《自然》上。

图1 基于吸收型量子存储器实现(xian)量子中继的原理示意图

由于(yu)单光(guang)子在光(guang)纤传(chuan)输中(zhong)的(de)指(zhi)数级损(sun)耗问题(ti),量(liang)子态在光(guang)纤中(zhong)传(chuan)输的(de)距离被限制在百公里量(liang)级。为(wei)了建立起全国乃(nai)至全球(qiu)的(de)量(liang)子网络(luo),需(xu)要采用量(liang)子中(zhong)继方案。其基本思路是(shi)把长程纠(jiu)(jiu)缠传(chuan)输的(de)任务分解为(wei)多段(duan)短距离的(de)基本链路,在基本链路上建立量(liang)子存储器之间的(de)可预报纠(jiu)(jiu)缠,然后利用纠(jiu)(jiu)缠交换技术把量(liang)子纠(jiu)(jiu)缠扩(kuo)展(zhan)至目标(biao)距离。

国际上(shang)已(yi)有的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)中继(ji)(ji)基本(ben)(ben)链路均基于(yu)(yu)发(fa)射型量子(zi)(zi)(zi)存(cun)储(chu)器构建(jian),其纠缠(chan)光子(zi)(zi)(zi)是由存(cun)储(chu)器本(ben)(ben)身(shen)发(fa)射出来的(de)(de)。这种(zhong)架构难以同(tong)时支持确定性(xing)光子(zi)(zi)(zi)发(fa)射和(he)多模式复(fu)用存(cun)储(chu),从根本(ben)(ben)上(shang)限制了纠缠(chan)分发(fa)的(de)(de)速率(lv)。理(li)论研(yan)究表明(ming),基于(yu)(yu)吸(xi)收型量子(zi)(zi)(zi)存(cun)储(chu)器的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)中继(ji)(ji)架构可以解决这一问题。这一架构把量子(zi)(zi)(zi)存(cun)储(chu)器和(he)量子(zi)(zi)(zi)光源(yuan)(yuan)分离开来,故能(neng)同(tong)时兼(jian)容确定性(xing)光子(zi)(zi)(zi)源(yuan)(yuan)和(he)多模式复(fu)用,是目前理(li)论上(shang)通信速率(lv)最优的(de)(de)量子(zi)(zi)(zi)中继(ji)(ji)方案。

李传锋、周宗权研究组(zu)长(zhang)期从事基(ji)(ji)于(yu)(yu)稀土离子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)掺(chan)杂晶体的(de)(de)(de)(de)固(gu)态(tai)(tai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)器的(de)(de)(de)(de)研究,近十年不断提(ti)升(sheng)固(gu)态(tai)(tai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)的(de)(de)(de)(de)性能指标以满足量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)继(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)技术(shu)需求,包括使(shi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)保真度达99.9%、模(mo)(mo)式数达100个(ge)(ge)、光存(cun)(cun)(cun)储(chu)寿命达1小时(shi)等。在(zai)本实(shi)(shi)验(yan)中(zhong),研究组(zu)基(ji)(ji)于(yu)(yu)参量(liang)下转(zhuan)换技术(shu)制备(bei)了(le)两套纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)光源(yuan),并基(ji)(ji)于(yu)(yu)独创的(de)(de)(de)(de)“三(san)明(ming)治”结构制备(bei)了(le)两套固(gu)态(tai)(tai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)器。每对纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)一(yi)个(ge)(ge)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)被三(san)明(ming)治型量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)器所存(cun)(cun)(cun)储(chu),而(er)每对纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)另一(yi)个(ge)(ge)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)被同时(shi)传输至中(zhong)间站点(dian)进行(xing)贝(bei)(bei)尔态(tai)(tai)检(jian)验(yan)。一(yi)次成功的(de)(de)(de)(de)贝(bei)(bei)尔态(tai)(tai)检(jian)验(yan)会完成一(yi)次成功的(de)(de)(de)(de)纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)交(jiao)换操作,使(shi)得两个(ge)(ge)空间分离3.5米的(de)(de)(de)(de)固(gu)态(tai)(tai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)器之间建立起量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan),尽管这两个(ge)(ge)存(cun)(cun)(cun)储(chu)器没有(you)发生任何直接的(de)(de)(de)(de)相互(hu)作用。量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)继(ji)(ji)基(ji)(ji)本链路(lu)的(de)(de)(de)(de)演示实(shi)(shi)验(yan)中(zhong)实(shi)(shi)现了(le)4个(ge)(ge)时(shi)间模(mo)(mo)式的(de)(de)(de)(de)复用,使(shi)得纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)分发的(de)(de)(de)(de)速率提(ti)升(sheng)了(le)4倍,实(shi)(shi)测的(de)(de)(de)(de)纠(jiu)(jiu)缠(chan)(chan)保真度达到了(le)80.4%。该工作证实(shi)(shi)了(le)基(ji)(ji)于(yu)(yu)吸收型量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)(cun)(cun)储(chu)构建量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)继(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)可行(xing)性,并首次展现了(le)多模(mo)(mo)式复用在(zai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)继(ji)(ji)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)加速作用。

该成(cheng)(cheng)果为(wei)量子中继(ji)的(de)发展研(yan)究开创了(le)一个(ge)(ge)可行的(de)方向,为(wei)实用(yong)化(hua)高(gao)速量子网络(luo)的(de)构建打(da)下基(ji)(ji)础。审稿人对该工作给(ji)予了(le)高(gao)度评价:“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance(这(zhei)个(ge)(ge)实验(yan)采用(yong)系综(zong)存储(chu)器(qi),在量子中继(ji)应用(yong)中具有一系列的(de)优势,比(bi)如(ru)多模式复用(yong))”;“the demonstration is a very straight forward and clean demonstration of the quantum repeater elementary link…it is a significant accomplishment that will form the basis for further research(这(zhei)个(ge)(ge)实验(yan)是(shi)(shi)对量子中继(ji)器(qi)基(ji)(ji)本链(lian)路的(de)一个(ge)(ge)非(fei)常直接(jie)(jie)和清晰的(de)演示(shi),……这(zhei)是(shi)(shi)一项重(zhong)要(yao)的(de)成(cheng)(cheng)就,将为(wei)接(jie)(jie)下来(lai)的(de)研(yan)究奠(dian)定基(ji)(ji)础)”;“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land(这(zhei)是(shi)(shi)在地面上实现远距(ju)离(li)量子网络(luo)的(de)一项重(zhong)大成(cheng)(cheng)就)”。

中(zhong)(zhong)科院(yuan)量子信(xin)息重(zhong)点实验室的博士后刘(liu)肖和博士研究生胡军(jun)为该论文的共同第一作(zuo)者(zhe)。该工作(zuo)得到(dao)了(le)科技部、国家(jia)自然科学基金委、安徽(hui)省以及中(zhong)(zhong)国科学院(yuan)的资(zi)助。周宗权得到(dao)中(zhong)(zhong)科院(yuan)青年创新促进会的资(zi)助。

论文链(lian)接(jie): 

  


图2 实验装置图


(中科(ke)(ke)院量(liang)(liang)子(zi)信息重点实(shi)验(yan)室、中科(ke)(ke)院量(liang)(liang)子(zi)信息和量(liang)(liang)子(zi)科(ke)(ke)技创新研究院、科(ke)(ke)研部)


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