在中科院青促會等資助下，中國科大周宗權(quán)副教授（青促會證書編號：2019440）及李傳鋒教授帶領團隊利用固態(tài)量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現(xiàn)兩個吸收型量子存儲器之間的可預報量子糾纏，演示了多模式量子中繼的通信加速效果。該成果于2021年6月2日以封面故事文章的形式發(fā)表在《自然》雜志上，封面故事的標題為“Quantum connections（量子連接）”。 由于單光子在光纖傳輸中的指數(shù)級損耗問題，量子態(tài)在光纖中傳輸?shù)木嚯x被限制在百公里量級。為了建立起全國乃至全球的量子網(wǎng)絡，需要采用量子中繼方案。其基本思路是把長程糾纏傳輸?shù)娜蝿辗纸鉃槎喽味叹嚯x的基本鏈路，在基本鏈路上建立量子存儲器之間的可預報糾纏，然后利用糾纏交換技術(shù)把量子糾纏擴展至目標距離。 量子中繼的核心部件是量子存儲器以及量子糾纏光源。按照其工作方式分為兩類，一類是發(fā)射型存儲器，糾纏光子由存儲器直接發(fā)射，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但是無法同時獲得單原子的確定性發(fā)光優(yōu)勢以及原子系綜的多模式復用優(yōu)勢，從根本上限制了糾纏分發(fā)的速率。另一類是吸收型存儲器，糾纏光子源外置，與存儲器相獨立，這種架構(gòu)下可以同時支持確定性光源以及多模式復用，是目前理論上通信速率最優(yōu)的量子中繼方案。 李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器的研究，近十年不斷提升固態(tài)量子存儲的性能指標以滿足量子中繼的技術(shù)需求，包括使存儲保真度達99.9%、模式數(shù)達100個、光存儲壽命達1小時等。近期，該研究組基于吸收型存儲器建立了量子中繼的基本鏈路（見圖1）�；趨⒘肯罗D(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)量子存儲器。每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子存儲器所存儲，而另一個光子被傳輸至中間站點進行貝爾態(tài)檢驗。一次成功的貝爾態(tài)檢驗會完成一次成功的糾纏交換操作，從而使得兩個空間分離3.5米的固態(tài)量子存儲器之間建立起量子糾纏。 
為了展現(xiàn)多模式復用對于量子中繼通信的加速作用，研究人員在量子中繼基本鏈路的演示實驗中引入了4個時間模式的復用。具體實驗中，每個量子節(jié)點發(fā)射了4對糾纏光子去嘗試到達中間站點并實現(xiàn)存儲。這使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到了80.4%。 該研究證實了基于吸收型量子存儲構(gòu)建量子中繼的可行性，并首次展現(xiàn)了多模式復用在量子中繼中的加速作用。該成果為量子網(wǎng)絡的建設指明了一條全新的道路——基于吸收型存儲器的量子中繼，為實用化的高速率、大尺度量子網(wǎng)絡的構(gòu)建奠定了基礎。 
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3
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