近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陳宇翱、趙博等在國際上首次利用參量下轉(zhuǎn)換光源，實現(xiàn)了基于線性光學(xué)的量子中繼器中的嵌套糾纏純化（nested purification）和二級糾纏交換（two-hierarchy entanglement swapping）過程。基于該技術(shù)，以往量子糾纏交換過程中阻礙分發(fā)態(tài)被進(jìn)一步相干操作的主要噪聲可以被自動剔除，這為將來實現(xiàn)基于原子系綜的可擴(kuò)展線性光量子中繼器提供了前瞻性的技術(shù)指引。這兩項重要成果分別發(fā)表在《自然-光子學(xué)》和《物理評論快報》上。 uEY5&wX`  
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　　量子中繼器是地面實用化遠(yuǎn)距離量子通信中必不可少的關(guān)鍵器件。受到通信鏈路衰減和噪聲等因素的影響，直接進(jìn)行量子通信的節(jié)點距離存在極限。為了突破這一極限，可以利用量子中繼器連接多個通信節(jié)點，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。自1998年量子中繼器的概念被提出后，科學(xué)家們一直努力搭建實用化量子中繼器。為了擴(kuò)展通信距離，連續(xù)的糾纏操縱是完整實現(xiàn)量子中繼器的基本需求。這可以通過糾纏交換和糾纏純化實現(xiàn)。其中糾纏交換用于提升量子態(tài)傳輸距離，糾纏純化用于抵抗量子態(tài)傳輸過程中的退相干效應(yīng)。 zSO9 U  

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　　初步的量子糾纏交換和糾纏純化已在線性光學(xué)系統(tǒng)中演示，但以往工作尚未具備可擴(kuò)展性，即獲得的分發(fā)態(tài)不能直接用于后續(xù)的糾纏操縱。這是由于參量下轉(zhuǎn)化糾纏源產(chǎn)生光子對是概率性的，在下轉(zhuǎn)換過程中由于存在雙光子噪聲項，進(jìn)行單次糾纏交換時，量子分發(fā)態(tài)本質(zhì)上是50%糾纏態(tài)和50%無用態(tài)的混態(tài)。以往，科學(xué)家只能使用后選擇從混態(tài)中提取所需糾纏態(tài)，但后選擇具有破壞性，它使得分發(fā)后的量子態(tài)被測量坍縮，因而該分發(fā)態(tài)無法再被用于下一步的糾纏操縱。因此，科學(xué)家必須尋求一種非破壞的方法剔除掉這噪聲項，而嵌套糾纏純化和級聯(lián)糾纏交換則能夠解決這一問題�！　� 1owoh,V6  
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　　潘建偉團(tuán)隊致力于量子中繼器的實用化研究，特別是在多光子糾纏制備和操縱方面一直處于世界領(lǐng)先地位。多光子組掌握的八光子及十光子操控技術(shù)，為在參量下轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實現(xiàn)光量子中繼器的原理性演示提供了硬件支持；2008年，科研團(tuán)隊搭建的兼顧糾纏交換和量子存儲的量子中繼器節(jié)點，為未來實現(xiàn)基于原子系綜系統(tǒng)的量子中繼器打下堅實基礎(chǔ)。2016年，該團(tuán)隊采用冷原子系綜，研制出百毫秒級高效量子存儲器，實現(xiàn)了存儲壽命達(dá)到0.22秒、讀出效率達(dá)到76%的高性能量子存儲器，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實際需求。此次研究工作則基于八體糾纏光源，首次演示了嵌套量子糾纏純化和級聯(lián)量子糾纏交換。通過巧妙地設(shè)置貝爾態(tài)測量裝置，不僅能完全消除糾纏交換過程中雙光子干擾項、同時保留分發(fā)量子態(tài)進(jìn)一步可操縱性。結(jié)合使用光纖模擬量子存儲以及測量反饋裝置，實現(xiàn)了可擴(kuò)展量子中繼器的光學(xué)演示。這一開創(chuàng)性的工作使基于參量下轉(zhuǎn)換光源構(gòu)建量子中繼器的可行性獲得了進(jìn)一步驗證。尤其是原子系綜系統(tǒng)中的原子－光子糾纏源存在和參量下轉(zhuǎn)換糾纏源同樣的雙光子噪聲項，該技術(shù)也可直接應(yīng)用于基于原子系綜的量子中繼器。 Pr"ESd>Y  
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　　這兩項工作均在國際上逾越了以往只能演示量子中繼器中單次糾纏操縱的技術(shù)障礙，首次實現(xiàn)了對量子態(tài)的連續(xù)糾纏操控，基于線性光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展了可擴(kuò)展量子中繼器技術(shù)，擊碎了實用光量子中繼器發(fā)展道路上的一道堅實壁壘。研究成果表明，參量下轉(zhuǎn)換源原則上完全有能力成為實用光量子中繼器的另一可信系統(tǒng)。同時，這兩項工作將大力推動基于原子系綜量子中繼器的可擴(kuò)展性技術(shù)研究。 8iB}a\]B  
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　　研究工作得到了科技部、自然科學(xué)基金委、教育部、中科院等的資助。 c{0?gt.  
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