中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝、張強(qiáng)等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，在量子中繼與量子網(wǎng)絡(luò)方向取得突破。他們通過(guò)發(fā)展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)和遠(yuǎn)程單光子精密干涉技術(shù)，成功地將相距50公里光纖的兩個(gè)量子存儲(chǔ)器糾纏起來(lái)，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。該成果于近日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
　　構(gòu)建全球化量子網(wǎng)絡(luò)并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)量子通信是量子信息研究的終極目標(biāo)之一，國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛采用的量子通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線是通過(guò)基于衛(wèi)星的自由空間信道來(lái)實(shí)現(xiàn)廣域大尺度覆蓋，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)城域及城際的地面覆蓋。然而受限于光信號(hào)在光纖內(nèi)的指數(shù)衰減，最遠(yuǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地面安全通信距離僅為百公里量級(jí)。將遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸改為分段傳輸，并采用量子中繼技術(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，有望進(jìn)一步大幅拓展安全通信距離，并使得構(gòu)建全量子網(wǎng)絡(luò)成為可能。
　　然而，受限于光與原子糾纏亮度低、原子存儲(chǔ)器波長(zhǎng)與通信光纖不匹配和遠(yuǎn)程單光子干涉等技術(shù)瓶頸，此前最遠(yuǎn)光纖量子中繼僅為公里量級(jí)。針對(duì)上述技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)主要在三方面開展了技術(shù)攻關(guān)：首先，采用環(huán)形腔增強(qiáng)技術(shù)來(lái)提升單光子與原子系綜間耦合，并優(yōu)化光路傳輸效率，將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；其次，由于原子存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)在光纖中的損耗約為3.5dB/km，在50公里光纖中光信號(hào)將衰減至十億億分之一（10^-17.5），使得量子通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，通過(guò)非線性差頻過(guò)程，將存儲(chǔ)器的光波長(zhǎng)由近紅外（795 nm）轉(zhuǎn)換至通信波段（1342 nm），經(jīng)過(guò)50公里的光纖僅衰減至百分之一以上，效率相比之前提升了16個(gè)數(shù)量級(jí)；最后，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單光子干涉，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)施了雙重相位鎖定方案，成功地把經(jīng)過(guò)50公里光纖的傳輸后引起的光程差控制在50nm左右。
　　研究團(tuán)隊(duì)將以上技術(shù)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了經(jīng)由50公里光纖傳輸?shù)碾p節(jié)點(diǎn)糾纏，并演示了經(jīng)由22公里外場(chǎng)光纖的雙節(jié)點(diǎn)糾纏。該工作得到《自然》審稿人的高度評(píng)價(jià)：“該結(jié)果是非常杰出的，向?qū)崿F(xiàn)量子中繼方向邁出了重要一步”。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)量子存儲(chǔ)器位于同一間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將通過(guò)發(fā)展獨(dú)立激光的相位同步等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)真正遠(yuǎn)距離分開的雙節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。上述工作與該團(tuán)隊(duì)之前實(shí)現(xiàn)的多節(jié)點(diǎn)糾纏技術(shù)（Nature Photonics, 13, 210, 2019）、基于里德堡的確定性糾纏技術(shù)（Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019），以及百毫秒存儲(chǔ)技術(shù)（Nature Photonics. 10, 381, 2016）等相結(jié)合，有望推動(dòng)量子中繼和全量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　該工作得到科技部、自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省等的資助。
　　論文鏈接
　　實(shí)驗(yàn)方案示意圖