我科學家首次實現多模式量子中繼

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組首次實現多模式複用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式複用的量子通信加速效果，並實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作爲高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。《自然》期刊發表了該成果。

“通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發射一百億個光子，要花三百年才能接收到一個光子。”李傳鋒介紹，“遠程量子糾纏傳輸是構建全球量子通信網絡的核心任務。然而，受限於光子數在光纖中的指數衰減，地面直接傳輸距離被限制在百公里水平。爲此科學家們提出量子中繼的思想，即將遠距離傳輸劃分爲若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個臨近節點間建立可預報的量子糾纏，然後通過糾纏交換技術進行級聯，從而逐步擴大量子糾纏的距離。”

量子存儲器是量子中繼的核心器件。李傳鋒、周宗權研究組長期從事基於稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲器的研究。在基於吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源是與量子存儲器相獨立的，所以這種架構可以同時兼容確定性量子光源以及多模式複用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

經過3年多的不懈努力，課題組成功使用吸收型量子存儲器演示了量子中繼的基本鏈路。一個基本鏈路由兩個分離的量子節點，以及中間站點貝爾態測量裝置組成。每個量子節點中除了量子存儲器之外，還各有一個糾纏光子對。實驗中，每個糾纏光子對中的一個光子被量子存儲器捕獲並存儲，每個糾纏光子對的另一個光子通過光纖同時傳輸至中間站點進行貝爾態測量，測量的過程就是糾纏建立的過程。

論文共同第一作者劉肖及胡軍說：“我們成功演示了4個時間模式的並行複用，獲得了4倍加速的糾纏分發速率，經過實驗驗證，通過貝爾態測量預報兩個節點之間的糾纏保真度超過80%。”

《自然》期刊審稿人對該工作給予了高度評價：“這個工作是對量子中繼器基本鏈路的一個非常直接和清晰的演示……這是一項重要的成就，將爲接下來的研究奠定基礎。”“這個實驗在量子中繼應用中具有一系列的優勢，比如多模式複用。”

研究組表示，下一步，將繼續提高量子存儲器的各項指標，並採用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。