中國科大實(shí)現基于冷原子的多節點(diǎn)量子存儲網(wǎng)絡(luò )

  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(wǎng)絡(luò )方向研究取得重要進(jìn)展，成功地利用多光子干涉將分離的三個(gè)冷原子量子存儲器糾纏起來(lái)，為構建多節點(diǎn)、遠距離的量子網(wǎng)絡(luò )奠定了基礎。該成果于1月21日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)權威期刊《自然?光子學(xué)》上。

  與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò )相對應，量子網(wǎng)絡(luò )指的是遠程量子處理器間的互聯(lián)互通。按照其發(fā)展程度可分為：量子密鑰網(wǎng)絡(luò )、量子存儲網(wǎng)絡(luò )、量子計算網(wǎng)絡(luò )三個(gè)階段。量子存儲網(wǎng)絡(luò )是量子密鑰網(wǎng)絡(luò )的下一階段。在每個(gè)節點(diǎn)，量子態(tài)存儲在量子存儲器內，能夠在適當的時(shí)候按需讀出。因此基于量子存儲網(wǎng)絡(luò )可以進(jìn)行更為高級的量子信息任務(wù)，如進(jìn)行量子態(tài)隱形傳輸、分布式量子計算等。

  鑒于量子網(wǎng)絡(luò )的重要應用價(jià)值，國際競爭非常激烈。量子密鑰網(wǎng)絡(luò )已較為成熟，目前正在進(jìn)入規?；瘧?，如我國已經(jīng)建成的量子保密通信京滬干線(xiàn)等。在量子存儲網(wǎng)絡(luò )方向，當前的主要目標是拓展節點(diǎn)數目以及增加節點(diǎn)間的距離。如荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)擬搭建一個(gè)連接代爾夫特、阿姆斯特丹等城市的四節點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò )。美國的阿貢國家實(shí)驗室、費米實(shí)驗室與芝加哥大學(xué)也在謀劃類(lèi)似的量子網(wǎng)絡(luò )。

實(shí)驗裝置圖

  構建量子存儲網(wǎng)絡(luò )的基本資源是光與原子間的量子糾纏。糾纏的亮度及品質(zhì)直接決定了量子網(wǎng)絡(luò )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(huán)形腔增強技術(shù)來(lái)增加單光子與原子系綜間耦合，進(jìn)而使得糾纏制備效率大幅提升。為提升糾纏品質(zhì)，該團隊采用高階模式鎖腔、自濾波等技術(shù)，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(zhì)不變的情況下，糾纏源的亮度比以往雙節點(diǎn)實(shí)驗中提升了一個(gè)數量級以上。

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

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

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