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責(zé)任編輯：濟(jì)南高娜
濟(jì)南量子技術(shù)研究院張強(qiáng)教授、謝秀平教授級高工和鄭名揚(yáng)副研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、包小輝教授等合作，首次完整實(shí)現(xiàn)了基于單光子干涉的遠(yuǎn)距離雙節(jié)點(diǎn)糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國際首個城域三節(jié)點(diǎn)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。該工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由以往的幾十米提升至幾十公里，為后續(xù)開展設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)、盲量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算、量子增強(qiáng)長基線干涉等量子互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于5月15日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
通過量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)是大尺度量子信息處理的基本要素�；诹孔泳W(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)以及分布式量子計(jì)算和量子傳感，構(gòu)成未來“量子互聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，基于單光子傳輸?shù)牧孔用荑�網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成熟，而面向分布式量子計(jì)算、分布式量子傳感等進(jìn)一步量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要采用量子中繼技術(shù)在遠(yuǎn)距離量子存儲器間構(gòu)建量子糾纏，在此基礎(chǔ)上通過廣域量子隱形傳態(tài)將各個量子信息處理節(jié)點(diǎn)連接起來。
為在遠(yuǎn)距離分離的獨(dú)立量子存儲器間建立糾纏，主要挑戰(zhàn)在于如何控制單光子相位�；趩喂庾痈缮娴募m纏方案在糾纏速率方面有重大優(yōu)勢，然而實(shí)驗(yàn)難度非常高。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉(zhuǎn)換泵浦激光、長光纖信道等帶來的細(xì)微相位抖動都會導(dǎo)致最終生成糾纏的退相干。
為解決這一難題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并發(fā)展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通過超穩(wěn)腔穩(wěn)頻來壓制控制激光線寬，其次通過光鎖相環(huán)來構(gòu)建讀寫激光間的相位關(guān)聯(lián)，最后通過遠(yuǎn)程分時相位比對來構(gòu)建兩節(jié)點(diǎn)間的相位關(guān)聯(lián)。濟(jì)南量子技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)基于長波泵浦方案，自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高效率、低噪聲量子頻率轉(zhuǎn)換接口，完成銣原子工作波段到通信波段的量子態(tài)轉(zhuǎn)移。以此為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了國際上首個城域三節(jié)點(diǎn)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以在任意兩個量子存儲器節(jié)點(diǎn)間建立糾纏。
圖：實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布局示意圖。其中Alice節(jié)點(diǎn)位于中國科大東區(qū)、Bob節(jié)點(diǎn)位于合肥創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園、Charlie節(jié)點(diǎn)位于安徽光機(jī)所。
該工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由幾十米提升至幾十公里，提升了三個數(shù)量級，為后續(xù)開展分布式量子計(jì)算、分布式量子傳感等量子互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該工作是國際首個城域多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)；與其他雙節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離實(shí)驗(yàn)相比，糾纏效率要高500倍以上。審稿人對該工作給予高度評價：“他們的成果開啟了量子互聯(lián)網(wǎng)研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“為未來大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。
《自然》雜志也在同一期發(fā)表了美國哈佛大學(xué)Lukin團(tuán)隊(duì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)首次在SiV色心體系實(shí)現(xiàn)了雙節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離糾纏。二者相比，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的成果在糾纏效率方面有明顯優(yōu)勢，比哈佛大學(xué)的工作高兩個數(shù)量級以上。
本項(xiàng)研究獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07308-0 （通訊員 馬曉芳）
