中國科大郭光燦院士團隊在量子存儲和量子中繼領域取得重大進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組利用固態量子記憶體和外置糾纏光源，首次實現兩個吸收型量子記憶體之間的可預報量子糾纏，演示了多模式量子中繼。該成果6月2日23點線上發表在國際著名學術期刊《自然》上。
圖1基於吸收型量子記憶體實現量子中繼的原理示意圖
由於單光子在光纖傳輸中的指數級損耗問題，量子態在光纖中傳輸的距離被限制在百公里量級。為了建立起全國乃至全球的量子網絡，需要採用量子中繼方案。其基本思路是把長程糾纏傳輸的任務分解為多段短距離的基本連結，在基本連結上建立量子記憶體之間的可預報糾纏，然後利用糾纏交換技術把量子糾纏擴展至目標距離。
國際上已有的量子中繼基本連結均基於發射型量子記憶體構建，其糾纏光子是由記憶體本身發射出來的。這種架構難以同時支持確定性光子發射和多模式複用存儲，從根本上限制了糾纏分發的速率。理論研究表明，基於吸收型量子記憶體的量子中繼架構可以解决這一問題。這一架構把量子記憶體和量子光源分離開來，故能同時相容確定性光子源和多模式複用，是現時理論上通信速率最優的量子中繼方案。
李傳鋒、周宗權研究組長期從事基於稀土離子摻雜晶體的固態量子記憶體的研究，近十年不斷提升固態量子存儲的性能指標以滿足量子中繼的技術需求，包括使存儲保真度達99.9%、模式數達100個、光存儲壽命達1小時等。在本實驗中，研究組基於參量下轉換科技製備了兩套糾纏光源，並基於獨創的“三明治”結構製備了兩套固態量子記憶體。每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子記憶體所存儲，而每對糾纏光子中的另一個光子被同時傳輸至中間網站進行貝爾態檢驗。一次成功的貝爾態檢驗會完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個空間分離3.5米的固態量子記憶體之間建立起量子糾纏，儘管這兩個記憶體沒有發生任何直接的相互作用。量子中繼基本連結的演示實驗中實現了4個時間模式的複用，使得糾纏分發的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到了80.4%。該工作證實了基於吸收型量子存儲構建量子中繼的可行性，並首次展現了多模式複用在量子中繼中的加速作用。
該成果為量子中繼的發展研究開創了一個可行的方向，為實用化高速量子網絡的構建打下基礎。審稿人對該工作給予了高度評價：“The present work focuses on the ensemble approach，which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications，multiplexing for instance（這個實驗採用系綜記憶體，在量子中繼應用中具有一系列的優勢，比如多模式複用）”；“the demonstration is a very straight forward and clean demonstration of the quantum repeater elementary link…it is a significant accomplishment that will form the basis for further research（這個實驗是對量子中繼器基本連結的一個非常直接和清晰的演示，……這是一項重要的成就，將為接下來的研究奠定基礎）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就）”。
中科院量子資訊重點實驗室的博士後劉肖和博士研究生胡軍為該論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院的資助。周宗權得到中科院青年創新促進會的資助。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3
圖2實驗裝置圖
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