段路明研究組實現量子中繼器核心加速步驟

2021年03月02日 瀏覽次數: 0

      近日清華大學交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領域取得重要進展，首次在實驗中實現了量子中繼協議中的兩個中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規模化提升，是實現實用化的量子中繼器的一個關鍵步驟。該成果的研究論文《量子中繼模塊糾纏連接的實驗實現》（Experimental demonstration of memory-enhanced scaling for entanglement connection of quantum repeater segments）于近日刊發于國際學術期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）。

       光子在光纖中傳播時的指數級衰減是長程量子通訊和大規模量子網絡的實現過程中面臨的主要問題，而量子中繼協議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案（《自然》, 2001），利用原子量子存儲器和單光子信道的結合，克服光量子信號在光纖中的指數衰減問題，之后持續成為該領域研究熱點。經過世界各國研究團隊近20年的努力，DLCZ量子中繼協議的實驗實現在許多方面已經取得了長足的發展，例如如何在一個小的中繼模塊中產生量子糾纏的技術已經日趨成熟。但是作為量子中繼協議中關鍵的步驟，即如何將小規模的中繼模塊通過量子存儲器的存儲，與鄰近的中繼模塊高效的連接成為一個更大的中繼模塊從而擴大量子糾纏在空間中的分布，因為實驗技術方面存在的困難，一直尚未實現。

 

實驗系統示意圖

 

       在此項工作中，研究人員通過將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過光學泵浦將原子制備在對磁場變化不敏感的鐘態，并且精確調控施加在原子所在位置的磁場，成功將冷原子量子中繼的相干時間提升至數十毫秒量級并能保證讀取的量子態具有很高的保真度。此外，結合實時反饋的高速控制系統，通過將先產生量子糾纏的中繼模塊存儲至相鄰中繼模塊也產生量子糾纏之時，實現了相鄰兩個量子中繼模塊內部的量子糾纏的異步制備。最后在兩個模塊之間通過糾纏交換，實現量子中繼模塊的高效糾纏連接。通過這種方式進行糾纏連接，其連接效率線性正比于單個模塊內部糾纏制備所需要的時間，與之前研究中未使用量子存儲的同步制備兩個中繼模塊內部的量子糾纏所需要的二次方時間相比，改變了連接效率在規模化上的復雜度；單個量子中繼模塊內部糾纏制備概率為0.1%時，該工作能提高兩個量子中繼模塊糾纏連接的效率353倍。當未來量子中繼模塊從兩個擴展到N個時，這種效率提升對應了量子中繼器對直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發效率上的指數級提升。因此該工作通過使用量子存儲，首次實現了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規模化提升，展現了量子中繼器對長程量子通信的核心加速能力。

 

 

實驗流程和量子中繼模塊的糾纏連接效率提升

 

       該論文共同第一作者為清華大學交叉信息研究院博士畢業生濮云飛（現為奧地利因斯布魯克大學博士后）和在讀博士生張勝，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、李暢以及博士后吳宇愷。該項目得到了國家重點研發計劃（項目編號2016YFA0301902）、北京量子信息科學研究院、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學科研 啟動項目、清華大學水木學者計劃和博士后國際交流計劃引進項目的資助與支持。

 

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00764-4