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新型量子存儲(chǔ)器助力構(gòu)建大規(guī)模實(shí)用化量子互聯(lián)網(wǎng)

     6月2日國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《NATURE》在線背靠背發(fā)表了量子存儲(chǔ)和中繼領(lǐng)域的兩份新成果。兩篇文章分別來自中國(guó)和西班牙的研究團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了通過構(gòu)建量子中繼實(shí)現(xiàn)空間分離節(jié)點(diǎn)間的量子糾纏，這對(duì)于發(fā)展高速、遠(yuǎn)距、穩(wěn)定的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。

      過去幾十年間，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，光纖、衛(wèi)星的加入使得信息在地球甚至是星際之間的傳播成為現(xiàn)實(shí)，同樣給科技、經(jīng)濟(jì)都帶來了巨大影響。在遠(yuǎn)距離傳輸過程中，中繼器作為可以復(fù)制、調(diào)整和增強(qiáng)信號(hào)的裝置在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸距離中扮演著重要角色。在構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的過程中，同樣需要量子存儲(chǔ)和中繼裝置發(fā)揮同樣的作用。然而在量子水平上遠(yuǎn)距離穩(wěn)定運(yùn)行這樣的系統(tǒng)，需要量子糾纏同樣在遠(yuǎn)距離上產(chǎn)生和長(zhǎng)時(shí)間地保持，對(duì)于量子存儲(chǔ)器的要求也更高。基于量子存儲(chǔ)器的量子中繼研究已經(jīng)在最近一段時(shí)間成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)裝置（Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories（Nature 594, 41–45 (2021)））中科大郭光燦、李傳鋒研究組

     研究人員利用參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，同時(shí)開發(fā)了一種具有“三明治”結(jié)構(gòu)的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器。每對(duì)糾纏光子中的一個(gè)光子存儲(chǔ)于量子存儲(chǔ)器中，另一個(gè)光子則被同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)進(jìn)行貝爾態(tài)檢驗(yàn)。這樣一種將糾纏光源和量子存儲(chǔ)器分離的架構(gòu)，可以同時(shí)支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用存儲(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子中繼中的通信加速提供了可能。實(shí)驗(yàn)中貝爾態(tài)檢驗(yàn)的過程也是糾纏交換的過程，即盡管兩個(gè)量子存儲(chǔ)器間沒有任何直接相互作用，但是二者間依舊成功地建立起量子糾纏。

      研究人員在實(shí)驗(yàn)中使兩個(gè)相距3.5 m的量子存儲(chǔ)器以80.4%的保真度建立量子糾纏，并在中繼基本鏈路中實(shí)現(xiàn)了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，將糾纏分發(fā)速率提高了4倍。這一糾纏交換的過程實(shí)現(xiàn)了基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼的構(gòu)建，證實(shí)了多模式復(fù)用在量子中繼中的加速作用，并且成功“預(yù)報(bào)”了糾纏何時(shí)建立，這對(duì)于未來復(fù)雜量子中繼的快速傳輸甚至是大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建都至關(guān)重要。

     來自西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所，他們選擇了與中科大團(tuán)隊(duì)相似的實(shí)驗(yàn)設(shè)置并獲得了相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。研究人員使用兩種可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1436 nm（與光纖通信波長(zhǎng)一致）和606 nm的光源，在兩個(gè)相距10 m的量子存儲(chǔ)器之間實(shí)現(xiàn)了量子糾纏，并且單光子在量子存儲(chǔ)器中可以保持長(zhǎng)達(dá)25 μs。

圖 | 實(shí)驗(yàn)裝置（Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories（Nature volume 594, pages37–40 (2021)））

 雖然當(dāng)前這些工作只是小范圍的驗(yàn)證性研究，但是國(guó)內(nèi)外的研究人員都已經(jīng)瞄準(zhǔn)了更大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。西班牙的研究人員表示，接下來他們將嘗試在巴塞羅那和卡斯特爾德費(fèi)爾斯之間進(jìn)行相距35公里的量子存儲(chǔ)器糾纏實(shí)驗(yàn)。近日基于光纖的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的世界紀(jì)錄從509公里提高到600公里。未來如果希望將這一記錄推向更高目標(biāo)，量子存儲(chǔ)和中繼將扮演不可或缺的重要角色。

       量子光學(xué)和量子信息、量子糾纏系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中通常進(jìn)行單光子信號(hào)檢測(cè)和記錄、符合測(cè)量。受益于儀器的進(jìn)步，高階、多重的符合測(cè)量也不再困難。實(shí)驗(yàn)中都需要先進(jìn)的目前以超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）為代表的新型探測(cè)器具有更短的上升時(shí)間和探測(cè)死時(shí)間，需要搭配性能更好的高速時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)單光子信號(hào)的記錄和處理。中科大團(tuán)隊(duì)此次選用的是德國(guó)Swabian Instruments開發(fā)的基于FPGA的Time Tagger，其獨(dú)特的流式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)、靈活的軟件程序和高速數(shù)據(jù)傳輸率非常適合于單光子信號(hào)的記錄和處理。

            近日Swabian Instruments已陸續(xù)為研究組提供了4ps低抖動(dòng)高分辨版本，更新的研究成果將及時(shí)與大家分享，北京燕京電子作為中國(guó)區(qū)合作伙伴已陸續(xù)為各新老用戶提供設(shè)備，并于近日攜該高分辨版本Time tagger亮相2nd屆光量子科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，歡迎各學(xué)者指導(dǎo)、垂詢，感謝關(guān)注并歡迎寶貴意見~