近日清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子中繼協(xié)議中的兩個(gè)中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規(guī)模化提升，這一進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的量子中繼器的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
據(jù)了解，光子在光纖中傳播時(shí)的指數(shù)級(jí)衰減是長(zhǎng)程量子通訊和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)過程中面臨的主要問題，而量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。
2001 年，段路明與合作者提出著名的 DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案(《自然》, 2001)，利用原子量子存儲(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合，克服光量子信號(hào)在光纖中的指數(shù)衰減問題，之后持續(xù)成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。經(jīng)過世界各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)近 20 年的努力，DLCZ 量子中繼協(xié)議的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)在許多方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
但作為量子中繼協(xié)議中關(guān)鍵的步驟，即如何將小規(guī)模的中繼模塊通過量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)，與鄰近的中繼模塊高效的連接成為一個(gè)更大的中繼模塊從而擴(kuò)大量子糾纏在空間中的分布，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)技術(shù)方面存在的困難，一直尚未實(shí)現(xiàn)。
研究過程中，首先，研究人員通過將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過光學(xué)泵浦將原子制備在對(duì)磁場(chǎng)變化不敏感的鐘態(tài)，并且精確調(diào)控施加在原子所在位置的磁場(chǎng)，成功將冷原子量子中繼的相干時(shí)間提升至數(shù)十毫秒量級(jí)并能保證讀取的量子態(tài)具有很高的保真度;其次，結(jié)合實(shí)時(shí)反饋的高速控制系統(tǒng)，通過將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲(chǔ)至相鄰中繼模塊也產(chǎn)生量子糾纏之時(shí)，實(shí)現(xiàn)了相鄰兩個(gè)量子中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏的異步制備;最后，在兩個(gè)模塊之間通過糾纏交換，實(shí)現(xiàn)量子中繼模塊的高效糾纏連接。
通過這種方式進(jìn)行糾纏連接，其連接效率線性正比于單個(gè)模塊內(nèi)部糾纏制備所需要的時(shí)間，與之前研究中未使用量子存儲(chǔ)的同步制備兩個(gè)中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏所需要的二次方時(shí)間相比，改變了連接效率在規(guī)模化上的復(fù)雜度;同時(shí)，當(dāng)單個(gè)量子中繼模塊內(nèi)部糾纏制備概率為 0.1% 時(shí)，該工作能提高兩個(gè)量子中繼模塊糾纏連接的效率 353 倍。當(dāng)未來量子中繼模塊從兩個(gè)擴(kuò)展到 N 個(gè)時(shí)，這種效率提升對(duì)應(yīng)了量子中繼器對(duì)直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發(fā)效率上的指數(shù)級(jí)提升。
該實(shí)驗(yàn)研究通過使用量子存儲(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規(guī)模化提升，展現(xiàn)了量子中繼器對(duì)長(zhǎng)程量子通信的核心加速能力。
實(shí)驗(yàn)流程和量子中繼模塊的糾纏連接效率提升
該研究成果于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然 · 光子學(xué)》發(fā)表。
該論文共同第一作者為清華大學(xué)交叉信息研究院博士畢業(yè)生濮云飛(現(xiàn)為奧地利因斯布魯克大學(xué)博士后)和在讀博士生張勝，通訊作者為段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蔣楠、常煒、李暢以及博士后吳宇愷。該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào) 2016YFA0301902)、北京量子信息科學(xué)研究院、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃和博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目的資助與支持。
