中國科大實現基于冷原子的多節點量子存儲網絡

  ICCSZ訊 中國科大25日消息，中國科大潘建偉、包小輝等在量子網絡方向研究取得重要進展，成功地利用多光子干涉將分離的三個冷原子量子存儲器糾纏起來，為構建多節點、遠距離的量子網絡奠定了基礎。該成果于1月21日發表在國際學術權威期刊《自然?光子學》上。

  與經典網絡相對應，量子網絡指的是遠程量子處理器間的互聯互通。按照其發展程度可分為：量子密鑰網絡、量子存儲網絡、量子計算網絡三個階段。量子存儲網絡是量子密鑰網絡的下一階段。在每個節點，量子態存儲在量子存儲器內，能夠在適當的時候按需讀出。因此基于量子存儲網絡可以進行更為高級的量子信息任務，如進行量子態隱形傳輸、分布式量子計算等。

  鑒于量子網絡的重要應用價值，國際競爭非常激烈。量子密鑰網絡已較為成熟，目前正在進入規?；瘧?，如我國已經建成的量子保密通信京滬干線等。在量子存儲網絡方向，當前的主要目標是拓展節點數目以及增加節點間的距離。如荷蘭的代爾夫特理工大學擬搭建一個連接代爾夫特、阿姆斯特丹等城市的四節點量子網絡。美國的阿貢國家實驗室、費米實驗室與芝加哥大學也在謀劃類似的量子網絡。

實驗裝置圖

  構建量子存儲網絡的基本資源是光與原子間的量子糾纏。糾纏的亮度及品質直接決定了量子網絡的尺度與規模。為提升糾纏亮度，潘建偉、包小輝研究組采用環形腔增強技術來增加單光子與原子系綜間耦合，進而使得糾纏制備效率大幅提升。為提升糾纏品質，該團隊采用高階模式鎖腔、自濾波等技術，使得雜散背景光子得到很好抑制。兩者相結合，在維持糾纏品質不變的情況下，糾纏源的亮度比以往雙節點實驗中提升了一個數量級以上。

  以高亮度光與原子糾纏為基礎，該研究組通過制備多對糾纏，并通過三光子干涉成功地將三個原子系綜量子存儲器糾纏起來。實驗中，三個量子存儲器位于兩間獨立實驗室內，二者間由18米單模光纖相連。審稿人稱贊這一工作為“多節點量子網絡的里程碑(milestone for multi-party quantum networks)”。進一步結合該團隊之前實現的百毫秒存儲技術(Nat. Photon. 10, 381, 2016)，以及里德堡糾纏技術(Phys. Rev. Lett. 117, 180501, 2016)，將有望對節點數目進一步拓展。采用量子頻率轉換技術將原子波長轉換至通信波段，也將有望對節點間的距離進行大幅拓展。

  該工作得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省等部門的資助。

  論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0342-x

  (合肥微尺度物質科學國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)