中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝、張強(qiáng)等首次采用光子干涉',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_2">單光子干涉在獨(dú)立存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間建立糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)基于糾纏的城域三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)。該工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由以往的幾十米整整提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)至幾十公里，為后續(xù)開(kāi)展盲量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算、量子增強(qiáng)長(zhǎng)基線(xiàn)干涉等量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于5月15日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

通過(guò)量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸來(lái)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)是大尺度量子信息處理的基本要素�；�于量子網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)以及分布式量子計(jì)算和量子傳感，構(gòu)成未來(lái)“量子互聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，基于單光子傳輸?shù)牧孔用荑�網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成熟，而面向分布式量子計(jì)算、分布式量子傳感等進(jìn)一步量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要采用量子中繼技術(shù)在遠(yuǎn)距離量子存儲(chǔ)器間構(gòu)建量子糾纏，在此基礎(chǔ)上通過(guò)廣域量子隱形傳態(tài)將各個(gè)量子信息處理節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。

在量子隱形傳態(tài)方面，中國(guó)科大潘建偉團(tuán)隊(duì)一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平，先后實(shí)現(xiàn)了多終端 [Nature 430, 54 (2004)]、多體 [Nature Physics 2, 678 (2006)]以及多自由度 [Nature 516, 518 (2015)]的量子隱形傳態(tài)，為實(shí)現(xiàn)量子信息在量子網(wǎng)絡(luò)中的傳輸途徑奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在量子存儲(chǔ)與量子中繼方面，研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展了相關(guān)研究。團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了具有存儲(chǔ)功能的穩(wěn)定量子中繼節(jié)點(diǎn) [Nature 454, 1098 (2008)]；為提升存儲(chǔ)壽命、讀出效率、糾纏制備概率等關(guān)鍵指標(biāo)，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了三維光晶格冷原子量子存儲(chǔ)、環(huán)形腔增強(qiáng)光與原子相互作用、里德堡阻塞抑制高階激發(fā)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的冷原子量子存儲(chǔ)器 [Nature Photonics 10, 381 (2016)]，還實(shí)現(xiàn)了確定性的光與原子糾纏制備 [Phys. Rev. Lett. 128, 060502 (2022)]。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方向取得多項(xiàng)重要進(jìn)展。2019年，團(tuán)隊(duì)通過(guò)三光子干涉，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)三個(gè)冷原子量子存儲(chǔ)器間的糾纏，成為首個(gè)可拓展距離的量子網(wǎng)絡(luò)原型[Nature Photonics 13, 210 (2019)]。2020年，團(tuán)隊(duì)利用量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)將量子存儲(chǔ)的出射光子波長(zhǎng)由795納米轉(zhuǎn)換至1342納米，并結(jié)合單光子鎖相技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)由50公里光纖連接的雙節(jié)點(diǎn)糾纏[Nature 578, 240 (2020)]。

為在遠(yuǎn)距離分離的獨(dú)立量子存儲(chǔ)器間建立糾纏，主要挑戰(zhàn)在于如何控制單光子相位�；�于單光子干涉的糾纏方案在糾纏速率方面有重大優(yōu)勢(shì)，然而實(shí)驗(yàn)難度非常高。糾纏過(guò)程中量子存儲(chǔ)的控制激光、頻率轉(zhuǎn)換泵浦激光、長(zhǎng)光纖信道等帶來(lái)的細(xì)微相位抖動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致最終生成糾纏的退相干。為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并發(fā)展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通過(guò)超穩(wěn)腔穩(wěn)頻來(lái)壓制控制激光線(xiàn)寬，其次通過(guò)光鎖相環(huán)來(lái)構(gòu)建讀寫(xiě)激光間的相位關(guān)聯(lián)，最后通過(guò)遠(yuǎn)程分時(shí)相位比對(duì)來(lái)構(gòu)建兩節(jié)點(diǎn)間的相位關(guān)聯(lián)。采用以上相位控制技術(shù)，并利用量子頻率轉(zhuǎn)換，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了相距十幾千米遠(yuǎn)的量子存儲(chǔ)器之間的糾纏。以此為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了國(guó)際上首個(gè)城域三節(jié)點(diǎn)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以在任意兩個(gè)量子存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)間建立糾纏。

圖片:ACBFC11D03843CAD68E6B0E8B59_495B259A_368C7.png

實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布局示意圖。其中Alice節(jié)點(diǎn)位于中國(guó)科大東區(qū)、Bob節(jié)點(diǎn)位于合肥創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園、Charlie節(jié)點(diǎn)位于安徽光機(jī)所。

該工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由幾十米提升至幾十公里，為后續(xù)開(kāi)展分布式量子計(jì)算、分布式量子傳感等量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該工作是國(guó)際首個(gè)城域多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)：“他們的成果開(kāi)啟了量子互聯(lián)網(wǎng)研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“為未來(lái)大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。

《自然》雜志也在同一期發(fā)表了美國(guó)哈佛大學(xué)Lukin團(tuán)隊(duì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)首次在SiV色心體系實(shí)現(xiàn)了雙節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離糾纏。二者相比，中國(guó)科大成果在糾纏效率方面有明顯優(yōu)勢(shì)，比哈佛大學(xué)的工作高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

本項(xiàng)研究獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省、中國(guó)科學(xué)院等的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0