中国科学技术学院郭光灿教授团队在量子储存和量子中继领域取得重大进展。该团队李传锋、周宗权研究组借助固态量子储存器和内置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子储存器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。该成果6月2日23点在线发表在国际知名学术刊物《自然》上。
图1基于吸收型量子储存器实现量子中继的原理示意图
因为单光子在光纤传输中的指数级耗损问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了构建起全省乃至全球的量子网路，须要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上构建量子储存器之间的可预报纠缠，之后借助纠缠交换技术把量子纠缠扩充至目标距离。
国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子储存器建立量子传输速率，其纠缠光子是由储存器本身发射下来的。这些构架未能同时支持确定性光子发射和多模式复用储存，从根本上限制了纠缠分发的速度。理论研究表明，基于吸收型量子储存器的量子中继构架可以解决这一问题。这一构架把量子储存器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通讯速度最优的量子中继方案。
李传锋、周宗权研究组常年从事基于稀土离子参杂晶体的固态量子储存器的研究，近六年不断提高固态量子储存的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使储存保真度达99.9%、模式数达100个、光储存寿命达1小时等。在本实验中，研究组基于热阻下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子储存器。每对纠缠光子中的一个光子被披萨型量子储存器所储存，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，致使两个空间分离3.5米的固态量子储存器之间构建起量子纠缠，虽然这两个储存器没有发生任何直接的互相作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，致使纠缠分发的速度提高了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。该工作否认了基于吸收型量子储存建立量子中继的可行性，并首次诠释了多模式复用在量子中继中的加速作用。
该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网路的建立打下基础。审稿人对该工作给与了高度评价：“Theworkonthe,whichhasaofintheof,for(这个实验采用系综储存器，在量子中继应用中具有一系列的优势量子传输速率，例如多模式复用)”；“theisaveryandcleanofthelink…itisathatwillformthebasisfor(这个实验是对量子中继器基本链路的一个特别直接和清晰的演示，……这是一项重要的成就，将为接出来的研究奠定基础)”；“suchisamajorlong-onland(这是在地面上实现远距离量子网路的一项重大成就)”。
中科院量子信息重点实验室的博士后刘肖和博士研究生胡军为该论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科大学的捐助。周宗权得到中科院青年创新推动会的捐助。
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图2实验装置图
