我科学家首次实现多模式量子中继

在中国古代神话传说中，“牛郎”和“织女”一年可以相会一次，那么，作为物质世界的光子多长时间可以“相会”呢？

答案是三百年。

而且，牛郎织女相会是在“鹊桥”之上，光子如果“相会”，“鹊桥”是什么？谁来搭建鹊桥？

答案是，光子相会的“鹊桥”叫量子中继，来自中国的科学家首次为它们搭建了多模式的量子中继。

神奇不神奇？厉害不厉害？

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组首次实现多模式复用的量子中继基本链路，展现了多模式复用的量子通信加速效果，并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。6月2日23点《自然》期刊发表了该成果。

基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图

“牛郎织女尚可一年一会，但通过光纤向距离一千公里外的地方每秒发射一百亿个光子，要花三百年才能接收到一个光子。”李传锋教授介绍说，远程量子纠缠传输是构建全球量子通信网络的核心任务。然而，受限于光子数在光纤中的指数衰减，地面直接传输距离被限制在百公里水平。

“为此科学家们提出量子中继的思想，即将远距离传输划分为若干短距离基本链路，先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠，然后通过纠缠交换技术进行级联，从而逐步扩大量子纠缠的距离。”李传锋说，“如果把两个光子分别比作'牛郎’和'织女’，那么，这个量子中继就相当于他们相会的'鹊桥’。”

量子存储器是量子中继的核心器件，用于储存光子纠缠态，待相邻存储器纠缠成功后，再执行下一步纠缠交换。此前，研究者已在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路，但均采用发射型量子存储器。发射型存储器的纠缠光子是由存储器直接发射出来的，其结构简洁，但兼容性较差，难以同时满足确定性量子光源及多模式复用这两个量子中继中关键的通信加速技术。确定性量子光源不存在多光子噪声，其发射效率可以逼近100%。多模式复用与经典光通信中的复用技术原理类似，即并行使用不同的时间或频率模式的光子来加快通信的速率。

论文共同通讯作者李传锋和周宗权在检视量子存储器。

值得一提的是，正是中国科大这个团队今年4月刚刚在量子存储器研究上取得重大突破，将光存储时间提升至1小时，大幅刷新2013年德国团队所创造的光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。“留光一小时”，本身就是一大科学突破。（点击查看相关报道）

李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土掺杂晶体的吸收型量子存储器的研究。在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中，量子光源是与量子存储器相独立的，所以这种架构可以同时兼容确定性量子光源以及多模式复用，是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。

经过三年多的不懈努力，课题组成功使用吸收型量子存储器演示了量子中继的基本链路。一个基本链路由两个分离的量子节点，以及中间站点贝尔态测量装置组成。每个量子节点中除了“牛郎”“织女”量子存储器之外，还各有一个纠缠光子对。实验中，每个纠缠光子对中的一个光子被量子存储器捕获并存储，每个纠缠光子对的另一个光子通过光纤同时传输至中间站点“鹊桥”进行贝尔态测量，测量的过程就是纠缠建立的过程。

“因此，'牛郎’和'织女’借助'鹊桥’可以在没见面的情况下成功建立纠缠。”论文共同第一作者刘肖及胡军说，“我们成功演示了4个时间模式的并行复用，获得了4倍加速的纠缠分发速率，经过实验验证，通过贝尔态测量预报两个节点之间的纠缠保真度超过80%。”

实验室场景

审稿人对该工作给予了高度评价：“这个工作是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示……这是一项重要的成就，将为接下来的研究奠定基础。” “这个实验在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用。”

周宗权表示：“利用吸收型量子存储器有望在未来实现高效率的量子中继和量子网络，进一步推动量子世界里'牛郎与织女’的顺利通信。”李传锋展望：“下一步，研究组将继续提高量子存储器的各项指标，并采用确定性纠缠光源，从而大幅提高纠缠分发的速率，努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。”

（光明日报全媒体记者常河 通讯员苗馨怡 卢虹宇）

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来源：光明日报全媒体记者 常河  通讯员 苗馨怡 卢虹宇