段路明研究組實現多路復用原子 存儲器間的量子通信

2020年06月30日 瀏覽次數: 0

       清華大學量子信息中心段路明教授研究組在量子中繼網絡領域取得重要進展，首次實現了兩個處于不同實驗平臺的多路復用原子存儲器間的量子通信，這一成果展現了利用多路復用量子存儲器實現量子中繼網絡的可行性。該成果論文《Quantum Communication between Multiplexed Atomic Quantum Memories （多路復用原子存儲器間的量子通信）》近日發表于國際學術期刊《物理評論快訊》（Phys. Rev. Lett）。

       為了克服單光子信號在量子信道傳輸時面臨的指數衰減問題，長程量子通信需要利用量子中繼器方案。DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）協議作為量子中繼器方案影響最大的物理實現方式，通過在長程信道中插入量子存儲器節點，利用量子存儲器產生和傳輸糾纏態，實現相鄰量子存儲器間的糾纏，進而通過多步糾纏交換操作最終完成長程糾纏信道的建立，克服單光子信號在光纖中的指數衰減問題。多路量子存儲器的使用可以進一步提升量子中繼器方案的性能。在一個物理裝置中，多路復用量子存儲器具有許多獨立的量子存儲單元，每個單元均可以產生和存儲量子態，并維持之間的相干性，進而減少糾纏分發和糾纏交換所需要的時間。此前該研究組分別利用DLCZ協議和電磁誘導透明（EIT）效應，在冷原子系綜中實現了多路復用的原子量子存儲器。然而如何相干地將多比特或多維量子態從多路復用的原子存儲器耦合到單光子光纖，是一個急需解決的問題。

多路復用原子存儲器間的量子通信實驗裝置示意圖

 

       這項工作設計了獨特的操作，使得在不同實驗平臺的多路復用原子存儲器之間可以完成量子態傳輸。實驗利用聲光偏轉器實現動態尋址，使得在一個多路復用原子存儲器中通過DLCZ協議產生的、利用不同存儲單元編碼的自旋波（spin-wave）量子比特，轉換為時間段（time-bin）量子比特，進而通過EIT效應存儲到另一個多路復用原子存儲器中。實驗測量了不同原子存儲單元中產生、傳輸和儲存的糾纏態，其在操作前后均能保持較高的保真度，證明了多路復用原子存儲器可以完成量子中繼器方案所要求的量子連接。此外高維量子態作為提升量子信道容量的載體，也被驗證可以完成高保真傳輸。這項工作驗證了利用多路復用原子存儲器實現量子中繼器方案的可行性，審稿人認為這對量子網絡的研究有重要的推動。

多路復用原子存儲器的單獨尋址操作演示和量子態傳輸的實驗驗證

 

       該論文第一作者為清華大學交叉信息研究院博士研究生李暢，通訊作者為段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蔣楠、常煒、濮云飛、張勝和博士后吳宇愷。項目得到教育部、科技部以及清華大學的經費支持。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.240504